Introduccion A La Botanica

Citation preview

Portadillas

25/11/05

10:50

Página I

Portadillas

25/11/05

10:50

Página I

INTRODUCCIÓN

A

LA

BOTÁNICA

Portadillas

25/11/05

10:50

Página III

INTRODUCCIÓN

A

LA

BOTÁNICA Murray W. Nabors University of Mississippi

Traducción: Paola González-Barreda

Revisión Técnica: Mercedes García Antón Juan Carlos Moreno Sáiz Departamento de Biología Universidad Autónoma de Madrid

San Francisco • Boston • New York • Cape Town • Hong Kong • London • Madrid • Mexico City Montreal • Munich • Paris • Singapore • Sydney • Tokyo • Toronto

Bajalibros.com ISBN 978-848-32-2698-8 Datos de catalogación bibliográfica

INTRODUCCIÓN A LA BOTÁNICA Murray W. Nabors PEARSON EDUCACIÓN, S. A., Madrid, 2006 ISBN 10: 84-7829-073-7 ISBN 13: 978-84-8322-698-8 978-84-7829-073-4 Materia: Botánica, 58 Formato: 215  270

Páginas: 744

Todos los derechos reservados. Queda prohibida, salvo excepción prevista en la Ley, cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública y transformación de esta obra sin contar con autorización de los titulares de propiedad intelectual. La infracción de los derechos mencionados puede ser constitutiva de delito contra la propiedad intelectual (arts. 270 y sgts. Código Penal). DERECHOS RESERVADOS © 2006 por PEARSON EDUCACIÓN, S. A. Ribera del Loira, 28 28042 Madrid (España) INTRODUCCIÓN A LA BOTÁNICA Murray W. Nabors ISBN 10: 84-7829-073-7 978-84-8322-698-8 ISBN 13: 978-84-7829-073-4 Depósito Legal: Authorized translation from the English language edition, entitled INTRODUCTION TO BOTANY 1st Edition by NABORS, MURRAY, published by Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings, Copyright © 2004 ISBN: 0-805-34416-0 All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission form Pearson Education, Inc. Edición en español: Equipo editorial: Editor: Miguel Martín-Romo Técnico editorial: Marta Caicoya Equipo de producción: Director: José A. Clares Técnico: José A. Hernán Diseño de cubierta: Equipo de diseño de Pearson Educación, S. A. Composición: COPIBOOK, S. L. Impreso por: IMPRESO EN ESPAÑA - PRINTED IN SPAIN

Este libro ha sido impreso con papel y tintas ecológicos

Sin título-2 1

22/11/13 12:49

00_Autor

18/11/05

13:53

Página V

Sobre el autor

Este libro está dedicado a mi mujer, Adriana, y a mis hijos, Cyrus, Darius, Mariaelena, Alexanaka y Amandamikkel.

Murray W. Nabors ha sido profesor de Botánica en Estados Unidos durante más de 30 años. Comenzó su carrera docente en la Universidad de Oregón (University of Oregon) antes de trasladarse a la Universidad de Santa Clara (University of Santa Clara). En 1972, se cambió a la Universidad Estatal de Colorado (Colorado State University), donde impartió clases durante 27 años, siendo además director del Programa de Honores (Honors Program) y vicepresidente del Departamento de Biología. A continuación, se trasladó a la Universidad James Madison (James Madison University) en Virginia, donde difigió el Departamento de Biología durante cuatro años. En la actualidad, trabaja en la Universidad de Mississippi (University of Mississippi), en Oxford, donde también dirige el Departamento de Biología. El interes investigador del Dr. Nabors, que se centran en el uso de la Biotecnología para la mejora de la tolerancia de los cultivos, hicieron que su laboratorio se convirtiera en el primero en todo Estados Unidos en la obtención de vegetales, a partir de células de cultivos de tejidos, con una mayor tolerancia a la sal. Sus investigaciones actuales se centran en el aislamiento de los genes que aumentan la capacidad de las células de cultivo para generar vegetales completos. La dedicación del Dr. Nabors a sus estudiantes, así como su experiencia dentro de las aulas, han dado forma a la creación de este texto. El Dr. Nabors se siente satisfecho de haber dirigido al menos a dos docenas de estudiantes, en sus programas de postgrado en Botánica, y ha disfrutado observando el progreso de numerosos estudiantes universitarios que han contribuido a proyectos y publicaciones de investigación actuales. El Dr. Nabors ha publicado más de 50 artículos científicos de prestigio, así como numerosos informes y ensayos. Su enorme interés por la litetatura en general ha culminado en la publicación de cuentos, así como de un libro de cuentos de Navidad ambientado en el Lejano Oeste.

00_CONTENIDO

18/11/05

13:54

Página VII

Resumen de contenidos

Capítulo 1 El mundo de las plantas La importancia de las plantas Características y diversidad de las plantas La Botánica y el método científico

Unidad uno ESTRUCTURA DE LAS PLANTAS Capítulo 2 Estructura de las células y ciclo celular Introducción a las células Principales orgánulos de la célula vegetal El citoesqueleto se encarga de controlar la forma y movimiento de las células Membranas y paredes celulares El ciclo celular y la división celular Capítulo 3 Introducción a la estructura de las plantas Principales tipos de células vegetales Estructura histológica del cuerpo de una planta vascular Introducción a los órganos de una planta vascular Introducción al crecimiento y desarrollo de los vegetales Capítulo 4 La raíz, el tallo y las hojas: el cuerpo vegetal primario La raíz El tallo Las hojas Capítulo 5 Crecimiento vegetal secundario Introducción al crecimiento secundario Patrones de crecimiento de la madera y la corteza Usos comerciales de la madera y la corteza Capítulo 6 Ciclos vitales y estructuras reproductoras Introducción a la reproducción de los vegetales Meiosis y alternancia de generaciones Estructura de la piña y de la flor Estructura de la semilla Estructura del fruto

Unidad dos FUNCIONES DE LAS PLANTAS Capítulo 7 Bioquímica vegetal básica Componentes moleculares de un organismo vivo Energía y reacciones químicas Reacciones químicas y enzimas Capítulo 8 Fotosíntesis Introducción a la fotosíntesis La conversión de energía solar en energía química se produce mediante reacciones luminosas La conversión del CO2 en azúcares se produce a través del ciclo de Calvin Capítulo 9 Respiración Introducción a la nutrición Respiración Fermentación Capítulo 10 El transporte en los vegetales Movimiento molecular a través de las membranas Movimiento y absorción de agua y solutos en los vegetales Suelo y minerales, nutrición de los vegetales Capítulo 11 Respuestas de las plantas a las hormonas y a los estímulos medioambientales Efectos de las hormonas Respuestas de las plantas a la luz Respuestas de las plantas a otros estímulos medioambientales

Unidad tres GENÉTICA Y EXPRESIÓN GENÉTICA Capítulo 12 Genética Experimentos de Mendel sobre la herencia La era post-mendeliana

00_CONTENIDO

VIII

18/11/05

13:54

Página VIII

Resumen de contenidos

Capítulo 13 Expresión y activación de los genes Expresión genética Expresión genética diferencial Identificación de los genes que afectan al desarrollo Capítulo 14 Biotecnología vegetal Metodología de la Biotecnología vegetal Logros y oportunidades de la Biotecnología vegetal

Unidad cuatro EVOLUCIÓN Y DIVERSIDAD Capítulo 15 Evolución Historia de la evolución en la Tierra Mecanismos evolutivos Origen de las especies Capítulo 16 Clasificación Clasificación predarwiniana Clasificación y evolución Principales grupos de organismos El futuro de la clasificación Capítulo 17 Virus y procariotas Los virus y el mundo botánico Los procariotas y el mundo botánico Capítulo 18 Algas Características de las algas y evolución Algas unicelulares y coloniales Algas pluricelulares Capítulo 19 Hongos Características de los hongos e historia evolutiva Estudio de la diversidad de hongos Asociaciones fúngicas con otros organismos Capítulo 20 Briófitos Introducción a los Briófitos Hepáticas: Filo Hepatophyta Antoceros: Filo Anthocerophyta Musgos: Filo Bryophyta

Capítulo 21 Plantas vasculares sin semillas Evolución de las plantas vasculares sin semillas Tipos de plantas vasculares sin semillas existentes Capítulo 22 Gimnospermas Introducción a las Gimnospermas Tipos de Gimnospermas existentes Capítulo 23 Angiospermas: plantas con flores Reproducción sexual en las plantas con flores Evolución de la flor y del fruto Estudio de la diversidad de Angiospermas

Unidad cinco ECOLOGÍA Capítulo 24 La Ecología y la Biosfera Factores abióticos en la Ecología Ecosistemas Capítulo 25 Dinámica de los ecosistemas: cómo funcionan los ecosistemas Poblaciones Interacciones entre organismos en los ecosistemas Comunidades y ecosistemas Capítulo 26 Biología de la conservación Crecimiento de la población humana Impacto humano en los ecosistemas El futuro Apéndice A Química básica Apéndice B Conversiones métricas Apéndice C Clasificación de la vida Créditos Glosario Índice

Portadillas

25/11/05

10:50

Página II

00-Prefacio

18/11/05

13:55

Página XXV

Prefacio

ay muchas razones por las que merece la pena adentrarse en el mundo vegetal. Éste nos brinda formas de vida maravillosas y fascinantes, que transforman y mejoran nuestras vidas tanto en el aspecto estético como en el práctico. La belleza de un ramo de flores o la calidez de una hoguera son tan sólo dos ejemplos del interés o la utilidad que los vegetales tienen en nuestras vidas. Así es, los vegetales están presentes en cualquier ámbito de la civilización humana. Por ejemplo, todos los combustibles fósiles son restos de antiguos organismos fotosintéticos. Además, los vegetales nos proporcionan alimentos y medicinas, fibras para fabricar tejidos y madera como combustible y para procurarnos refugio. En pocas palabras: las plantas hacen posible la vida en la Tierra. Junto con otros organismos fotosintéticos, actúan como capturadores biológicos de la energía solar. Mediante el proceso de la fotosíntesis, producen virtualmente todo el oxígeno y alimentos para el planeta Tierra. Sintetizan todas las moléculas orgánicas estructurales, que posteriormente otros organismos no fotosintéticos se encargan de modificar y reciclar a través de todas las redes alimenticias.

H

Perspectiva La presente Introducción a la Botánica ha nacido de mi experiencia a lo largo de los últimos treinta y un años como profesor de Botánica y Biología. Durante este tiempo, la cantidad de información básica existente sobre la ciencia de los vegetales se ha incrementado de manera espectacular. Algunos libros de texto de Botánica y Biología intentan actualizarse al mismo ritmo que la ciencia y se convierten en algo parecido a enciclopedias. Otros se limitan a ser simples y breves exposiciones sobre determinadas áreas de la Botánica. Este libro pretende ofrecer otra perspectiva. He intentado escribir un libro de una longitud moderada, pero con una rigurosa cobertura de todos los temas esenciales de la Botánica moderna, enfatizando a la par los aspectos importantes y de actualidad. Hago hincapié en la ciencia como medio para el saber y en el método científico como un proceso continuo para el conocimiento de los vegetales.

Objetivos del libro El objetivo general de este libro es facilitar información importante, actualizada y esencial sobre los vegetales y sobre la Biología Vegetal moderna de una forma interesante y amena. Además de exponer aquello que los vegetales tienen en común con otras criaturas vivientes, espero poder demostrar, de forma concluyente, que las características únicas de las plantas, así como las de otros organismos fotosintéticos, las hacen imprescindibles para la supervivencia de toda forma de vida, incluido el ser humano. A lo largo del libro, me centro en cuatro temas fundamentales: Evolución, Biotecnología, Biología de la Conservación y Las plantas y las personas. La evolución mediante la selección natural es el paradigma más importante de la Botánica moderna. Gracias a la teoría de Darwin pueden explicarse las características anatómicas y bioquímicas de los vegetales, así como el comportamiento que manifiestan dentro de una población o ecosistema. El segundo paradigma importante es: el flujo de información de los genes hasta las enzimas, de la estructura y a la función. La Biotecnología Vegetal y la Ingeniería Genética dan buena cuenta de las posibilidades o problemas derivados del entendimiento de la Biología Molecular Vegetal. La Biotecnología Vegetal y los campos afines de la Genómica y la Proteómica cada vez están más de actualidad. A los estudiantes instruidos para lograr un éxito funcional en el mundo real les será muy provechoso comprender estas áreas de la Biología Vegetal. Frente al declive de los recursos naturales y a la creciente degradación ambiental, la población humana continúa en aumento; por ello, es esencial conocer la función de los vegetales en la Biosfera. La Biología de la Conservación es un campo de estudio y de acción práctica de rápido desarrollo. Para entender esta disciplina es necesario comprender la Biología en todos sus ámbitos y, de igual forma, el papel que desempeñan las plantas tanto en los ecosistemas naturales como en aquellos alterados por la actividad humana. La Biología de la Conservación, del mismo modo que la Biotecnología, requiere que científicos y ciudadanos por igual logren comprender el mundo vegetal. Por último, los humanos dependen de los vegetales en múltiples y diferentes aspectos, que se investigan para adquirir un conocimiento básico, y por el propio interés humano en el tema de las plantas y las personas.

00-Prefacio

18/11/05

XXVI

13:55

Página XXVI

Prefacio

Estructura del libro El compendio de capítulos cubre toda la temática tradicional de un texto de Botánica. Cada capítulo contiene al menos un cuadro relacionado con uno de los cuatro temas del libro (Evolución, Biotecnología, Biología de la Conservación y Las plantas y las personas), así como otro titulado El fascinante mundo de las plantas, que tiene como objetivo atraer a los estudiantes y motivarlos para que profundicen en la Botánica. Asimismo, los cuatro temas clave se integran dentro del texto a lo largo de todos los capítulos. El capítulo introductorio debe leerse por su contenido, pues no se trata de un resumen del libro. Dicho capítulo repasa las características básicas de los vegetales y su importancia. El método científico se aborda mediante el estudio de un caso relacionado con el descubrimiento del fototropismo por parte de Charles Darwin y su hijo. La estructura de las células y de los vegetales se estudia en los Capítulos 2-6, en la primera unidad del libro, denominada Estructura de las plantas. Es importante adquirir un conocimiento básico de la misma para comprender el resto de aspectos de la Botánica, aunque estos capítulos pueden posponerse a voluntad del profesor. En los capítulos sobre Anatomía, el crecimiento primario del tallo y la raíz se estudia en el Capítulo 4, y el crecimiento secundario en el Capítulo 5. De esta manera, se evita la repetición implícita en estudiar tanto el crecimiento primario como el secundario en capítulos separados sobre el tallo y la raíz. No obstante, los capítulos están escritos de tal forma que si el profesor prefiere concentrarse en la raíz y el tallo en particular, ambos se estudian dentro de cada capítulo en apartados independientes. Los aspectos básicos de la reproducción vegetal, incluidos los ciclos biológicos, y la estructura de las piñas, flores, frutos y semillas, se estudian en el Capítulo 6, para que los estudiantes se sientan ya familiarizados con estos temas cuando analicen los ciclos biológicos en los capítulos consagrados a la diversidad vegetal. La segunda unidad del libro, titulada Funciones de las plantas, incluye capítulos sobre Bioquímica (el Apéndice A explora la Química básica), fotosíntesis y respiración, así como sobre la relación con el agua, la nutrición mineral y el crecimiento y desarrollo de los vegetales. La Bioquímica se aborda por primera vez en el Capítulo 7, ya que el conocimiento de las moléculas vegetales facilita un entendimiento de los capítulos propuestos para el estudio de la energía y la Fisiología. Genética y expresión genética, la tercera unidad del libro, comprende capítulos sobre Genética y expresión genética, así como un capítulo sobre Biotecnología Vegetal (Capítulo 14). Dado que este último es uno de los temas

clave del libro, se podrá encontrar más material sobre la Biotecnología de manera continua, con un enfoque más complejo a partir del capítulo mencionado. La cuarta unidad del libro, Evolución y diversidad, contiene capítulos sobre la evolución y la Clasificación, así como siete capítulos acerca de los seres fotosintéticos y de otros organismos como los hongos, que se suelen incluir en los textos de Botánica. La evolución se introduce con anterioridad a los capítulos de diversidad, puesto que los principios evolutivos son básicos en el estudio filogenético de los organismos. Mientras que los virus y los procariotas se combinan en un solo capítulo, las algas, así como cada grupo de plantas terrestres, se abordan en capítulos independientes con la intención de resaltar las características particulares de cada grupo. Finalmente, en la quinta unidad del libro se presenta la Ecología, primero en relación con la Biosfera; seguidamente, en relación con los ecosistemas; y, por último, el relación con los ecosistemas alterados, a saber, la Biología de la Conservación.

Características pedagógicas Cada capítulo comienza con un esquema de los epígrafes más importantes del capítulo, seguido de una interesante historia relacionada con el material del que trata el mismo. En estas historias no se introduce aún nueva terminología, con el fin de estimular el interés por el tema en concreto y por la información que se va a proporcionar posteriormente. La excelente selección de gráficos y fotografías de los capítulos ilustra cada punto clave. Siempre que es posible, el texto explicativo se introduce en el gráfico en lugar de figurar como leyenda. El sombreado de fondo se minimiza en pro de un estilo que enfatiza los detalles propios de la figura, ensalzados por una paleta de colores brillantes y llamativos. Las fotografías han sido seleccionadas con el propósito de aportar información acerca de temas probablemente desconocidos aún por los estudiantes, o que requieren un énfasis adicional. El material que cierra cada capítulo incluye un Resumen de cada sección, Cuestiones de repaso y Cuestiones para reflexionar y discutir, así como una sección, Para aprender más, que se centra en el material disponible, ya sea para su investigación, o simplemente para conocer mejor un asunto de interés. La evolución se retoma con la cuestión especial Conexión evolutiva, que anima a los estudiantes a plantearse cómo la evolución ha dado forma al desarrollo de la vida vegetal. Además, la última cuestión de repaso de cada capítulo propone un ejercicio de dibujo (indicado por el correspondiente

00-Prefacio

18/11/05

13:55

Página XXVII

Prefacio

icono de un lápiz) para ayudar a los estudiantes a pensar de forma más activa en las estructuras que están observando.

Críticos y comprobadores del libro en las aulas Sin los críticos, no habría manuscrito que llegara a convertirse en un texto publicado. Quiero agradecer encarecidamente los inteligentes y profundos comentarios de mis colegas profesores de Botánica de todos los Estados Unidos. También quiero participar mi agradecimiento a los estudiantes y profesores que dedicaron parte de sus semestres a dar clases de prueba de los capítulos; sus observaciones han sido esenciales a la hora de dar forma a este material. Gracias a todos por su valiosa colaboración en este libro.

Críticos David Aborne, University of Tennessee-Chattanooga; Richard Allison, Michigan State University; Bonnie Amos, Angelo State University; Martha Apple, Northern Illinois University; Kathleen Archer, Trinity College; Robert M. Arnold, Colgate University; Ellen Baker, Santa Monica College; Susan C. Barber, Oklahoma City University; T. Wayne Barger, Tennessee Tech University; Marilyn Barker, University of Alaska, Anchorage; Linda Barnes, Marshalltown Community College; Paul Barnes, Texas State UniversitySan Marcos; Susan R. Barnum, Miami University; Terese Barta, University of Wisconsin-Stevens Point; Hans Beck, Northern Illinois University; Donna Becker, Northern Michigan University; Maria Begonia, Jackson State University; Jerry Beilby, Northwestern College; Tania Beliz, College of San Mateo; Andrea Bixler, Clarke College; Allan W. Bjorkman, North Park University; Catherine Black, Idaho State University; J. R. Blair, San Francisco State University; Allan J. Bornstein, Southeast Missouri State University; Paul J. Bottino, University of Maryland College Park; Jim Brenneman, University of Evansville; Michelle A. Briggs, Lycoming College; Beverly J. Brown, University of Arizona; Judith K. Brown, Nazareth College of Rochester; Patrick J. P. Brown, University of South Carolina; Beth Burch, Huntington College; Marilyn Cannon, Sonoma State University; Shanna Carney, Colorado State University; Gerald D. Carr, University of Hawaii; J. Richard Carter, Valdosta State University; Youngkoo Cho, Eastern New Mexico; Jung Choi, Georgia Tech; Thomas Chubb, Villanova University; Ross Clark, Eastern Kentucky University; W. Dennis Clark,

XXVII

Arizona State University; John Clausz, Carroll College; Keith Clay, Indiana University; Liane Cochran-Stafira, Saint Xavier College; Deborah Cook, Clark Atlanta University; Anne Fernald Cross, Oklahoma Chapter Trustee; Billy G. Cumbie, University of Missouri-Columbia; Roy Curtiss, Washington University; Paul Davison, University of North Alabama; James Dawson, Pittsburg State University; John V. Dean, DePaul University; Evan DeLucia, University of Illinois at Urbana-Champaign; Roger del Moral, University of Washington; Ben L. Dolbeare, Lincoln Land Community College; Valerie Dolja, Oregon State University; Tom Dudley, Angelina College; Arri Eisen, Emory University; Brad Elder, University of Oklahoma; Inge Eley, Hudson Valley Community College; Sherine Elsawa, Mayo Clinic; Gary N. Ervin, Mississippi State University; Elizabeth J. Esselman, Southern Illinois University, Edwardsville; Frederick Essig, University of South Florida, Richard Falk, University of California, Davis; Diane M. Ferguson, Louisiana State University; Jorge F. S. Ferreira, Southern Illinois University-Carbondale; Lloyd Fitzpatrick, University of North Texas; Richard Fralick, Plymouth State College; Jonathan Frye, McPherson College; Stephen W. Fuller, Mary Washington College; Stanley Gemborys, HampdenSydney College; Patricia Gensel, University of North Carolina; Daniel K. Gladish, Miami University; David Gorchov, Miami University; Govindjee, University of Illinois at Urbana Champaign; Mary Louise Greeley, Salve Regina University; Sue Habeck, Tacoma Community College; Kim Hakala, St. John’s River CC; Michael Hansen, Bellevue CC; Laszlo Hanzely, Northern Illinois University; Suzanne Harley, Weber State University; Neil A. Harriman, University of Wisconsin, Oshkosh; Jill Haukos, South Plains College; Jeffrey Hill, Idaho State University; Jason Hoeksema, University of Wisconsin, Oshkosh; Scott Holaday, Texas Tech University; J. Kennet Hoober, Arizona State University; Patricia Hurley, Salish Kootenai College; Stephen Johnson, William Penn University; Elaine Joyal, Arizona State University; Grace Ju, Gordon College; Walter Judd, University of Florida; Sterling C. Keeley, University of Hawaii; Gregory Kerr, Bluefield College; John Z. Kiss, Miami University; Kaoru Kitajima, University of Florida; Kimberley Kolb, California State University, Bakersfield; Ross Koning, Eastern Connecticut State University; Robert Korn, Bellarmine College; David W. Kramer, Ohio State University; Vic Landrum, Washburn University; Deborah Langsam, University of North Carolina; A. Joshua Leffler, Utah State University; David E. Lemke, Texas State UniversitySan Marcos; Manuel Lerdau, State University of New York; Alicia Lesnikowska, Georgia Southwestern State University; Gary Lindquester, Rhodes College; John F. Logue, University of South Carolina, Sumter; Marshall Logvin, South Mountain Community College; A. Christina W. Longbrake, Washington & Jefferson; Steven Lynch, Loui-

00-Prefacio

18/11/05

XXVIII

13:55

Página XXVIII

Prefacio

siana State University, Shrevport; Linda Lyon, Frostburg State University; Carol C. Mapes, Kutztown University of Pennsylvania; Michael Marcovitz, Midland Lutheran College; Bernard A. Marcus, Genesee Community College; Diane Marshall, University of New Mexico; Tonya McKinley, Concord College; Laurence Meissner, Concordia University at Austin; Elliot Meyerovwitz, California Institute of Technology; Mike Millay, Ohio University; David Mirman, Mt. San Antonio College; John Mitchell, Ohio University; L. Maynard Moe, California State University, Bakersfield; Clifford W. Morden, University of Hawaii at Manoa; Beth Morgan, University of Illinois at Urban Champaign; Dawn Neuman, University of Las Vegas; Richard Niesebaum, Muhlenberg College; Giselle MillerParker, Western Washington University; Carla Murray, Carl Sandburg College; Terry O’Brien, Rowan University; Jeanette Oliver, Flathead Valley Community College; Clark L. Ovrebo, University of Central Oklahoma; Fatima Pale, Thiel College; Lou Pech, Carroll College; Charles L. Pederson, Eastern Illinois University; Carolyn Peters, Spoon River College; Ioana Popescu, Drury University; Calvin Porter, Texas Tech University; David Porter, University of Georgia; Daniel Potter, University of California, Davis; Mike Powell, Sul Ross State University; Elena Pravosudova, Sierra College; Barbara Rafaill, Georgetown College; V. Raghavan, Ohio State University; Brett Reeves, Colorado State University; Bruce Reid, Kean University; Eric Ribbens, Western Illinois University; Stanley Rice, Southeastern Oklahoma State University; Steve Rice, Union College; Todd Rimkus, Marymount University; Michael O. Rischbieter, Presbyterian College; Matt Ritter, Cal Poly San Luis Obispo; Laurie Robbins, Emporia State University; Wayne C. Rossing, Middle Tennessee State University; Rowan F. Sage, University of Toronto; Thomas Sarro, Mount Saint Mary College; Neil Schanker, College of the Siskiyous; Rodney J. Scott, Wheaton College; Bruce Serlin, Depauw University; Harry Sealy, University of South Carolina; J. Kenneth Shull, Appalachain State; Susan Singer, Carleton College; Don W. Smith, University of North Texas; James Smith, Boise State University; Steven Smith, University of Arizona; Nancy Smith-Huerta, Miami University; Teresa Snyder-Leiby, SUNY New Paltz; Frederick Spiegel, University of Arkansas; Amy Sprinkle, Jefferson Community College Southwest; William Stein, Binghamton University; Chuck Stinemetz, Rhodes College; Steve Stocking, San Joaquin Delta College; Fengjie Sun, University of Illinois at Urbana-Champaign; Marshall D. Sundberg, Emporia State University; Walter Sundberg, Southern Illinois University-Carbondale; Andrew Swanson, University of Arkansas; Daniel Taub, Southwestern University; David Winship Taylor, Indiana University Southeast; Josephine Taylor, Stephen F. Austin State University; David J. Thomas, Lyon College; Stephen Timme, Pittsburg State University; Leslie

Towill, Arizona State University; Gary Upchurch, Southwest Texas University; Staria S. Vanderpool, Arkansas State University; C. Gerald Van Dyke, North Carolina State University; Susan Verhoek, Lebanon Valley College; Beth K. Vlad, Elmhurst College; Tracy Wacker, University of Michigan-Flint; Charles Wade, C. S. Mott Community College; D. Alexander Wait, Southwest Missouri State University; Tom Walk, Pennsylvania State University; Patrick Weber, Michigan State University; Richard Whitkus, Sonoma State University; Donald Williams, Park University; Paula Williamson, Southwest Texas University; Dwina Willis, Freed-Hardeman University; MaryJo A. Witz, Monroe Community College; Jenny Xiang, North Carolina State University; Rebecca Zamora, South Plains College.

Comprobadores del libro en las aulas David Aborne, James Madison University; Ellen Baker, Santa Monica College; Susan Barnum, Miami University; Dr. Tania Beliz, San Mateo College; Catherine Black, Idaho State University; Jorge Ferreira, Southern Illinois University; Patricia Gensel, University of North Carolina; Dr. Michael Hanson, Bellevue Community College; Kim Hakala, St. John River’s Community College; Davide Lemke, Southwest Texas State University; Brett Reeves, Colorado State University; Michael Rischbieter, Presbiteryan College; Pat Webber, Michigan State University; Gerald Van Dayke, North Carolina State University; Rebecca Zammoraege, South Plains College.

Reconocimientos Quisiera agradecer a Elizabeth Fogarty su inspiración y ayuda en la concepción original de este libro. El Equipo de Redacción y Producción de Benjamin Cummings goza de mi eterna consideración por su talento y profesionalidad. Quisiera dar las gracias en especial a los editores que trabajaron conmigo para escribir este libro. Los Jefes de Redacción John Burner y Matt Lee poseen un talento editorial magnífico como revisores de estilo y asesores creativos. Ambos tienen la rara habilidad de convertir conceptos complicados en palabras comprensibles. La Responsable de Diseño Editorial Carla Simmons contribuyó con un diseño de gran calidad, así como con excelentes ideas para hacer que la Botánica resultara más accesible e interesante gracias a los recursos gráficos. Agradezco el inagotable afán de Travis Amos para encontrar las mejores fotografías y proporcionarnos las más bellas y únicas de entre su interminable abanico de posibilidades. Chalon Bridges nos

00-Prefacio

18/11/05

13:55

Página XXIX

Prefacio

ayudó a materializar este libro en muchos aspectos, más recientemente como Coordinador Editorial. Susan Minarcin, la Directora Editorial, merece un reconocimiento considerable, también por el trabajo, a menudo imposible de agradecer, de mantenernos centrados en la perspectiva del libro y dentro del programa previsto, así como por permanecer en contacto con las múltiples facetas interactivas de la edición. La Directora de Promoción, Kay Ueno, hizo que la totalidad del proyecto encontrara el equilibrio exacto entre idealismo y realismo. La Directora Editorial Asociada, Alexandra Fellowes, y la Ayudante Editorial, Alissa Anderson, aportaron su valiosa ayuda, a menudo con poco tiempo disponible, para que el proyecto siguiera adelante. También quisiera dar las gracias a la Directora General, Erin Gregg, y a la Directora de Producción, Corinne Benson, a la Directora de Diseño de Redacción, Donna Kalal, y al Director de Marketing, Josh Frost, por su duro trabajo y sus muchas aportaciones. Quiero agradecer a Mark Ong su elegante diseño. También quiero agradecer a los profesores Victoria E. McMillan y Robert M. Arnold su colaboración en las cuestiones para desarrollo y de Conexión Evolutiva de cada capítulo; su percepción del detalle es algo digno de valorar. Quisiera dar las gracias a los autores de los excelentes suplementos que acompañan este texto; su arduo trabajo ha logrado que éstos cumplan con creces la función de herramienta didáctica. Me gustaría agradecer a Laszlo Hanzely de Northern Illinois University y a Deborah Cook de Clark Atlanta University su excelente trabajo

XXIX

en el manual del profesor. Asimismo, quiero reconocer el mérito de Robert Arnold y Victoria McMillian, de Colgate University, por su trabajo en el banco de exámenes. Algunos profesores universitarios me han ayudado en mi andadura con consejos, fotografías y prontas respuestas a mis incesantes preguntas. Entre ellos están, en particular, la Dra. Jennifer Clevinger, el Sr. Curtis Clevinger de James Madison University, el Dr. Paul Kugrens, Paul Lee y Brett Reeves de Colorado State University, y el Dr. Conley McMullen. Los estudiantes-redactores universitarios han desempeñado un papel esencial en la preparación y revisión del libro. Quisiera agradecer en especial a Sarah Javaid, Rianna Barnes y Pauline Adams, graduados recientemente por James Madison University, su ayuda durante estos años. Asimismo, de la citada Universidad, me gustaría dar las gracias particularmente a Molly Brett Hunter, así como a Jacqueline Brunetti, Melissa Spitler, David Evans y Sarah Jones. De Colorado State University, señalo mi agradecimiento a Heather Stevinson, Callae Frazier, Hillary Ball, Tiffany Sarrafian y Nicola Bulled, que aportaron sin reservas su ayuda, incalculable y muy apreciada. En ambas Universidades, los estudiantes de mis clases aportaron muchas sugerencias y me dieron infinidad de consejos para el borrador de algunos capítulos, por lo que también quiero transmitirles mi agradecimiento. Murray W. Nabors University of Mississippi

Portadillas

25/11/05

10:50

Página I

01_Capítulo

22/11/05

16:38

Página 1

1 El mundo de las plantas

Una mujer recoge granos de café en Tailandia.

La fotosíntesis sustenta la vida en la Tierra

Características y diversidad de las plantas

Las plantas son nuestra principal fuente de alimento

Características que distinguen a las plantas de otros organismos

Muchas medicinas provienen de las plantas

Los musgos se encuentran entre las plantas más simples

La importancia de las plantas

Las plantas nos proporcionan combustible, cobijo y productos de papel La Biología de la Conservación es un área de investigación compleja

Los helechos y otras plantas del mismo grupo son ejemplos de plantas vasculares sin semillas

La Biotecnología busca desarrollar nuevos productos a partir de las plantas

Los pinos y otras Coníferas son ejemplos de plantas sin flores con semillas

La mayoría de las plantas son plantas con flores y semillas, las cuales se encuentran protegidas por frutos

La Botánica y el método científico Al igual que el resto de científicos, los botánicos también comprueban las hipótesis La Botánica comprende muchos campos de estudio Los botánicos estudian, además, las algas, los hongos y los microorganismos causantes de enfermedades

01_Capítulo

22/11/05

2

16:38

Página 2

CAPÍTULO 1

◆

El mundo de las plantas

n agente de bolsa de Frankfurt se toma una taza de café. Un fumador de Madrid se plantea dejar de fumar. En una cafetería de París, varios estudiantes comen patatas fritas con salsa. Los habitantes de las tierras altas de Indonesia toman píldoras de quinina para evitar contraer la malaria, frecuente en la región. En un hospital de Washington DC, un paciente recibe un potente fármaco contra el cáncer, la vinblastina. En la ciudad de Nueva York, una persona alérgica toma un antihistamínico, mientras a pocas calles de distancia se utiliza el mismo compuesto para fabricar una peligrosa droga, la metanfetamina. ¿Qué tienen en común todas estas situaciones? Los compuestos químicos vegetales conocidos como alcaloides. Se conocen más de 12.000, incluidos algunos tan familiares como la cafeína, nicotina, cocaína, morfina, estricnina, quinina y efedrina. La función de los alcaloides en los vegetales es la de disuadir a los depredadores, bien por su mal sabor o por su venenosidad. En cuanto al ser humano, muchos alcaloides, en pequeñas dosis, estimulan el sistema nervioso. Por ejemplo, la cafeína permite que ciertos impulsos nerviosos se prolonguen, cuando de otro modo estarían inactivos. No obstante, las dosis marcan la diferencia entre un estimulante suave y un veneno. Por ejemplo, un insecto cuya comida principal sean hojas de café puede consumir una dosis letal de cafeína. Del mismo modo, un poco de cafeína en una persona puede tener un efecto placentero, pero demasiada puede resultar peligrosa e incluso mortal. Por supuesto, la cafeína y otros alcaloides son tan sólo una limitada muestra de cómo participan los vegetales en nuestras vidas. Aunque la cafeína se utiliza simplemente como estimulante, en realidad todos dependemos de los vegetales de un modo substancial para nuestra propia supervivencia. Si todos los vegetales de la Tierra murieran repentinamente, irían seguidos de inmediato por todos los animales, incluidos los seres humanos. Sin embargo, si todos los animales murieran, los vegetales aún serían capaces de sobrevivir. ¿Por qué los seres humanos y el resto de animales dependen tanto de los vegetales y no a la inversa? Este capítulo responderá a tal cuestión, y además nos acercará a la diversidad de la vida vegetal y la importancia de la Botánica.

U

Estructura molecular de la cafeína (carbono, en gris; nitrógeno, en violeta; hidrógeno, en blanco, y oxígeno, en rojo).

01_Capítulo

22/11/05

16:38

Página 3

CAPÍTULO 1

La importancia de las plantas La palabra Botánica procede de la palabra griega para «planta» o «vegetal». ¿Qué nos trae a la mente la palabra vegetal? ¿Tal vez árboles, madera, hojas, flores, frutos, hortalizas y cereales? Si nos pidieran definir un vegetal, probablemente responderíamos que se trata de un organismo por lo general de color verde, que normalmente no consume otros organismos y que crece, pero no es capaz de desplazarse de un lugar a otro. Como cabría esperar, y como veremos más adelante en este capítulo, la definición científica es más formal y no tan simple. No obstante, estas características siguen siendo válidas para aportar una definición básica y muy informal de una planta, ya sea un arbusto, árbol, vid, helecho, cactus, o cualquier otro. Como los vegetales forman parte de nuestra vida cotidiana, no tendríamos por qué plantearnos qué los convierte en seres únicos, o por qué son tan indispensables para la vida humana. Pero ¿por qué nosotros necesitamos a los vegetales para sobrevivir, mientras que ellos son capaces de sobrevivir en nuestra ausencia? La respuesta es la fotosíntesis. La fotosíntesis es el proceso mediante el cual las plantas y otros determinados organismos utilizan la energía solar para fabricar sus propios alimentos, transformando el dióxido de carbono y el agua en azúcares que almacenan energía química. Los animales y otros organismos, incapaces de fabricar sus propios alimentos, únicamente pueden sobrevivir obteniéndolos directa o indirectamente de las plantas. En el Capítulo 8 veremos cómo funciona la fotosíntesis y por qué es la responsable de que los vegetales sean generalmente verdes.

La fotosíntesis sustenta la vida en la Tierra La práctica totalidad de la vida en la Tierra depende del agua y de la energía solar. Sin embargo, únicamente las plantas, algas y bacterias fotosintéticas pueden utilizar estos ingredientes de forma directa para sobrevivir. Con luz solar, dióxido de carbono, agua y unos pocos minerales del suelo, un vegetal es capaz de fabricar su propio alimento, pero ningún animal podría vivir sólo a base de estos ingredientes. Incluso con un suministro ilimitado de agua, una persona sólo podría sobrevivir durante unas pocas semanas. Por el contrario, la fotosíntesis permite que los vegetales y otros organismos fotosintéticos se conviertan en fábricas de alimentos impulsadas por el Sol. Casi una cuarta parte del cerca de millón y medio de especies de organismos vivos conocidas son fotosintéticas. Las plantas, bacte-

◆

El mundo de las plantas

3

rias y algas llevan a cabo casi el total de la fotosíntesis del planeta, lo que les otorga un lugar preponderante en la Biosfera, la fina capa de aire, tierra y agua que ocupan los organismos vivos. Las plantas son la principal fuente de fotosíntesis en la Tierra, mientras que las algas, en un repertorio que abarca desde organismos microscópicos hasta algas marinas, contribuyen, junto con las bacterias fotosintéticas, a la realización de la fotosíntesis en medios acuáticos. La fotosíntesis sustenta la vida de tres maneras: 1. Hoy en día, los científicos creen que la fotosíntesis produce casi todo el oxígeno del mundo. Durante este proceso, los vegetales rompen las moléculas de agua (H2O) y producen oxígeno (O2). La mayoría de los organismos, incluidos los vegetales y animales, necesita oxígeno para liberar la energía almacenada en los alimentos. 2. La mayor parte de los organismos obtiene su energía directa o indirectamente de la fotosíntesis. Los animales y la mayoría de organismos no fotosintéticos obtienen la energía alimentándose de vegetales o de otros organismos que han ingerido vegetales. En este sentido, una planta o cualquier otro organismo fotosintético es el origen de cualquier cadena alimenticia, una secuencia de transferencia alimenticia desde un organismo al siguiente que comienza por el organismo que produce el alimento (Figura 1.1). Por ejemplo, un puma se come un ciervo que a su vez comió hierba. Como organismos que fabrican sus propios alimentos, los vegetales y otros organismos fotosintéticos se conocen como productores primarios. Mediante el sustento directo o indirecto de todos los niveles de consumidores, los productores primarios constituyen la base de una cadena alimenticia. Los vegetales son los productores primarios de las terrestres, mientras que las algas y bacterias fotosintéticas lo son de las acuáticas. 3. Los azúcares producidos por la fotosíntesis son los bloques de construcción de la vida. Los vegetales producen azúcares y moléculas relacionadas mediante la fotosíntesis y los procesos derivados de ella, y posteriormente combinan estos productos con minerales del suelo para dar lugar a una amplia variedad de compuestos. Un vegetal utiliza estos compuestos para determinar sus características estructurales y fisiológicas. Al comer vegetales o animales que han comido vegetales, un animal recibe los compuestos producidos originariamente por la fotosíntesis, que a su vez emplea para generar su propia estructura.

01_Capítulo

22/11/05

4

16:38

Página 4

CAPÍTULO 1

◆

El mundo de las plantas

Consumidor cuaternario Búho

Consumidor terciario Mofeta rayada

Consumidor secundario Musaraña

Consumidor primario Grillo común

Productor primario Trébol blanco

Figura 1.1.

Cadena alimenticia.

escarbar, recoger o matar. Nuestros dientes son la prueba de tal herencia: tenemos molares de gran tamaño para moler y masticar, y caninos e incisivos afilados para morder y desgarrar. Entre 12.000 y 14.000 años atrás, algunos grupos de humanos se establecieron para vivir en un mismo lugar durante todo un año, produciendo cultivos y criando animales para procurarse alimento en lugar de depender exclusivamente de lo que la naturaleza proveía. Esta domesticación de plantas y animales se produjo a la vez en diferentes lugares y de distintas maneras. Puesto que estas regiones dieron origen a las posteriores ciudades, que dependían de los alimentos que la agricultura y la ganadería les rendían, estas últimas se convirtieron en la base de la civilización humana, posibilitando el desarrollo de la cultura, el arte y el gobierno (Figura 1.2). Los primeros agricultores observaron que algunos tipos de plantas alimenticias se cultivaban mejor que otros. Probando y equivocándose, aprendieron cómo recoger y almacenar semillas para el año siguiente, cuándo sembrar y cómo nutrir los vegetales para obtener una cosecha provechosa. Advirtieron que algunos individuos vegetales de un tipo en concreto crecían mejor que otros. A lo largo de los años, guardaban y plantaban semillas de estos vegetales para incrementar la producción alimenticia, convirtiéndose de esta manera en los primeros criadores de plantas. La obtención de vegetales es hoy un campo formal de estudio. Los Gobiernos estatales y nacionales financian la investigación para aumentar el rendimiento de las cosechas (Figura 1.3). Generalmente, los cultivadores de plantas se centran en mejorar un determinado tipo de cultivo

Este ejemplo de cadena alimenticia terrestre incluye cuatro niveles de consumidores. Algunas cadenas alimenticias presentan menor número de niveles, pero todas las terrestres tienen su base en los vegetales.

Puesto que la fotosíntesis nos proporciona el oxígeno que respiramos, los alimentos que comemos y hasta las mismas moléculas de nuestro ser, todos somos organismos impulsados por el Sol. Sin la fotosíntesis, la vida en la Tierra sería extremadamente difícil, si no imposible.

Las plantas son nuestra principal fuente de alimento En un principio, los humanos eran cazadores y recolectores, que se desplazaban de un lugar a otro según dónde intuyeran, por la estación, que habría alimentos disponibles. Comían casi todo lo que podían encontrar, localizar,

Figura 1.2.

Agricultura antigua.

Esta pintura en la pared de una tumba egipcia, de aproximadamente 1500 a.C., representa a unos trabajadores que cortan cereales con hoces.

01_Capítulo

22/11/05

16:38

Página 5

CAPÍTULO 1

◆

El mundo de las plantas

5

a partir de materiales vegetales ricos en azúcar. El café y el té son bebidas derivadas de las semillas (técnicamente bayas) de la planta de café (Coffea arabica) y de las hojas de la planta de té (véase el cuadro Las plantas y las personas en la página 6). Asimismo, el sirope, rico en fructosa, y que se obtiene del maíz y otros vegetales, sirve como endulzante para muchos refrescos. Las hierbas secas y las especias se utilizan para diversos fines, como ingredientes culinarios, como ambientadores y como medicinas. Por lo general, el término especia se refiere a las partes secas de vegetales tropicales y subtropicales, como canela, clavo, jengibre y pimienta negra (véase el cuadro El fascinante mundo de las plantas en la página 8). Otras hierbas utilizadas con frecuencia son: mejorana, menta, perejil, romero, salvia y tomillo.

Figura 1.3.

Obtención de vegetales moderna.

El arroz, al ser una fuente de alimento especialmente importante, es objeto de frecuente experimentación dirigida a mejorar su rendimiento, calidad nutricional y resistencia a enfermedades.

para su región. Por ejemplo, los cultivadores de trigo de las Grandes Llanuras de Norteamérica buscan plantas que crezcan lo más rápido posible, porque en esta área la estación de crecimiento es corta. También buscan vegetales resistentes a vientos fuertes, sequías y a las enfermedades habituales. Pese a la domesticación de numerosas plantas silvestres, la mayor parte de alimentos humanos derivan sólo de unos pocos cultivos, principalmente del maíz, arroz y trigo. El maíz, que probablemente proceda de México, se convirtió en el cultivo más importante en América del Norte y del Sur, mientras que el arroz, proveniente de Asia, es el cultivo más importante en esta zona. El trigo se cultivó por primera vez en Oriente Medio, y es el cultivo más importante en Europa, Oriente Medio y en parte de Norteamérica y África. Los granos de maíz, arroz y trigo son ricos en nutrientes y fáciles de almacenar en ambiente seco. En total, seis cultivos cubren el 80% de la ingesta calórica humana: trigo, arroz, maíz, patatas, mandioca o yuca y boniatos. Ocho cultivos adicionales completan una considerable proporción del 20% restante: plátano, alubias, soja, sorgo, cebada, coco, caña de azúcar y remolacha azucarera. Además de ser nuestra principal fuente de alimento, los vegetales se utilizan para fabricar muchas bebidas. Las bebidas alcohólicas, como el vino y la cerveza, se fabrican

Muchas medicinas provienen de las plantas Desde tiempos ancestrales, las personas son conscientes de que los vegetales pueden aliviar los síntomas de numerosas afecciones médicas. Por ejemplo, la infusión de corteza de sauce puede curar las cefaleas. Hoy sabemos que esta corteza contiene ácido salicílico, muy similar en su estructura al ácido acetilsalicílico, más conocido como aspirina. Durante siglos, este conocimiento pasó de boca en boca y fue atesorado por naturalistas que colectaban plantas. Durante el siglo XVI, surgieron libros denominados herbarios, que recogían los usos prácticos de los vegetales e intentaban clasificarlos y nombrarlos científicamente, una labor muy útil si tenemos en cuenta que un mismo vegetal podía tener varios nombres comunes. Gracias al desarrollo de la Química moderna en los siglos XVIII y XIX, los extractos vegetales depositarios de alcaloides y otros compuestos útiles gozaron de una mayor disponibilidad. El alcaloide quinina ha desempeñado un papel especialmente importante en la historia de la Humanidad. A finales del siglo XVII, los médicos repararon en que la corteza del árbol de la quina y el polvo blanco de quinina extraído de la misma podían utilizarse para el tratamiento de la malaria (Figura 1.4). Pese al uso extendido de la quinina y otros medicamentos derivados, la malaria sigue siendo una de las enfermedades más devastadoras del mundo. Cada año es responsable en los países tropicales de la muerte de entre un millón y tres millones de personas, la mayoría de ellas niños. Otro alcaloide utilizado con frecuencia es la efedrina, un potente antihistamínico producido por los arbustos del género Ephedra.

01_Capítulo

22/11/05

6

16:38

Página 6

CAPÍTULO 1

◆

LAS

El mundo de las plantas

PLANTA S

Y

L A S

P E R SO NA S

Degustamos la historia del té l té, rico en cafeína y ligeramente adictivo, es la bebida más popular del mundo. Tiene su origen en China, hace más de 5.000 años. La leyenda dice que el Emperador Shen Nong observó cómo, accidentalmente, unas hojas de té cayeron en agua hirviendo. Curioso, quiso degustarlo, y así nació la bebida. Después de ser introducido en Europa hacia 1580, el té se convirtió en una bebida tremendamente popular. A mediados del siglo siguiente, Gran Bretaña, poseedora de una avanzada Marina, había monopolizado el comercio europeo de té. A principios del siglo XIX, el té era ya tan famoso que los británicos comenzaron a importar opio de la India para ofrecérselo a los chinos con el fin de pagar el té y otros productos chinos típicos, como la seda y la porcelana. El té era también muy conocido en las colonias americanas. Los americanos salvaban el monopolio británico importando té de China a cambio de opio procedente del Imperio Otomano en Constantinopla. A mediados del siglo XVIII, el contrabando de té en las Colonias era un negocio próspero debido a los impuestos británicos existentes sobre las importaciones. Para desalentar a los traficantes, Gran Bretaña disminuyó los impuestos. No obstante, mantuvo un pequeño impuesto para reivindicar su derecho de imponer tributos a los colonos, decisión que provocó en 1773 el motín del Boston Tea Party, uno de los acontecimientos inspiradores de la Revolución Americana. Se produjo un severo boicot al té y, en parte como resultado, el café terminó por convertirse en la bebida favorita de los americanos. Durante siglos, el té se cultivó únicamente en China y se encontraba estrictamente protegido. En la década de 1840, el botánico escocés Robert Fortune sacó ilegalmente semillas de té de China. Hoy en día, se cultiva en 25

E

Los alcaloides pueden también influir en la fisiología animal al interrumpir la división celular. Los investigadores han utilizado dos alcaloides producidos por la planta vinca pervinca, la vinblastina y la vincristina, para interrumpir la división de células cancerosas y exterminar dichas células. Otros miles de productos vegetales son útiles en la Medicina humana; de hecho, un 25% de las prescripciones realizadas en Estados Unidos contienen al menos un producto derivado de los vegetales.

Hojas de té. El té se elabora con las hojas perennes de Camellia sinensis, un pequeño arbusto.

países. La planta precisa un clima cálido, húmedo y un suelo ácido, rico en materia orgánica. Como las hojas se recolectan manualmente, la recogida de las cosechas entraña una ardua labor. El inicio del siglo XX fue testigo de dos avances en el uso del té. En la Feria Mundial de Saint Louis de 1904, el dueño de una plantación de té vertió hielo en sus muestras, lo que aumentó su popularidad durante aquel caluroso verano. Éste es el origen del té frío. Por otro lado, las bolsitas de té aparecieron en 1908. Actualmente, el 90% del té vendido en Estados Unidos es negro, caracterizado porque sus hojas fermentan antes de ser secadas al fuego. Al calentarlas se reduce el contenido de humedad de las hojas de un 45% a un 5%. El té verde, que no se fermenta, representa el resto de ventas normales de té en Estados Unidos. Además, existen infusiones de hierbas fabricadas a partir de flores, bayas, raíces, semillas y hojas de otros vegetales. Por lo general, las infusiones de hierbas no contienen cafeína y brindan una sorprendente variedad de sabores.

Las plantas nos proporcionan combustible, cobijo y productos de papel En algunas plantas longevas, los tallos se convierten en troncos leñosos, que a veces alcanzan decenas de metros de altura. Lo que conocemos como madera consiste, casi por completo, en células muertas que permiten a los troncos de algunas plantas leñosas adquirir un grosor y una resistencia considerables.

01_Capítulo

22/11/05

16:38

Página 7

CAPÍTULO 1

◆

El mundo de las plantas

7

acceso a la electricidad y a los combustibles fósiles, como el petróleo, carbón y gas natural. Los combustibles fósiles son también productos vegetales en sí, pues se formaron hace cientos de millones de años, fundamentalmente a partir de restos fosilizados de vegetales. Además, la madera es todavía la principal fuente de materiales de construcción, y se utiliza como armazón para la mayoría de las casas y edificios. Incluso la construcción en acero depende indirectamente de los vegetales, pues los hornos de alta temperatura utilizados para fabricar acero usan básicamente combustibles fósiles. Otro producto vegetal importante es el papel, que puede obtenerse de diversas plantas. La mayor parte del papel que utilizamos está fabricado a partir de pasta derivada de plantas leñosas, como los abetos, pinos o eucaliptos. Éstos son apenas unos pocos ejemplos de cómo los vegetales nos proporcionan infinidad de productos útiles, además, por supuesto, de ser nuestra fuente básica de alimento y oxígeno. A lo largo de este libro, el texto central y los cuadros de texto Las plantas y las personas explorarán la influencia de los vegetales en la vida humana.

La Biología de la Conservación es un área de investigación compleja

Figura 1.4.

El árbol de la quina y la quinina.

Los nativos de la Cordillera de los Andes de Sudamérica utilizaban la corteza de quina para curar diversas fiebres. Los exploradores españoles repararon en esta práctica, que originó el descubrimiento de la quinina como tratamiento contra la malaria.

La madera sigue siendo la fuente de combustible más importante para cocinar y producir calor, puesto que gran parte de la población mundial tiene poco o ningún

Teniendo en cuenta que los vegetales cubren tantas de nuestras necesidades, debemos asegurarnos de que disponemos de suficientes y también de que las especies vegetales más valiosas no se extingan. Nosotros somos los conservadores o protectores de los recursos de la Tierra. La Biología de la Conservación es un importante campo multidisciplinar de la ciencia que estudia maneras para combatir la dilatada extinción de las especies y la pérdida de hábitat básicos. Esta disciplina estudia el impacto de la actividad humana en todos los aspectos del Medio Ambiente y busca formas menos destructivas ecológicamente para la tala de árboles, la construcción de ciudades y, de manera general, para la interacción con los recursos biológicos de la Biosfera, como los bosques. La población humana, de enorme y rápido crecimiento, ha consumido los recursos madereros de forma más acelerada que su reposición. Por consiguiente, no es de extrañar que la madera suba de precio a medida que mengua el suministro. Aproximadamente la mitad de la tala anual de árboles en Estados Unidos se utiliza para fabricar papel, del cual la mayor parte no se recicla. Sólo existen unos pocos vestigios de rodales antiguos, principalmente en Bosques Nacionales, Parques Nacionales y Reservas Privadas (véase el cuadro Biología de la Conservación en la página 10).

01_Capítulo

22/11/05

8

16:38

Página 8

CAPÍTULO 1

◆

El mundo de las plantas

EL FASCINANTE MUNDO DE LAS PLANTAS La pimienta negra: un remedio para la carne podrida Podría resultarnos algo sorprendente descubrir que los asentamientos europeos en América se produjeron, en gran medida, como resultado de la búsqueda de pimienta negra y otras especias. La pimienta negra procede de los frutos secos, molidos, del arbusto Piper nigrum, originario de la costa Malabar del Suroeste de la India. El fruto de este arbusto es verde, con el interior blanco, y una cobertura exterior de color negro debida a la acción fúngica. ¿Por qué era tan importante la pimienta? En los tiempos previos a la refrigeración, la sal preservaba la carne al mantener las bacterias y hongos bajo control, pero, de esta manera, la carne se volvía poco comible. Al añadir especias como la pimienta negra, la carne salada se hacía más agradable al gusto, razón por la que los marinos solían llevar consigo bolsitas con granos de pimienta. Durante la Edad Media, los comerciantes traían especias desde Asia hasta Europa a lo largo de rutas

comerciales que atravesaban Oriente Medio. Durante mil años, caravanas de camellos cargadas de pimienta negra, clavo, canela, nuez moscada, jengibre y otras especias recorrieron este trayecto. Sin embargo, a partir de 1470, los turcos bloquearon estas rutas terrestres y los europeos pusieron la vista en el océano como vía alternativa hacia Asia. Cristóbal Colón logró ayuda financiera de la Corte Española para encontrar una nueva ruta hacia China y La India. Cuando tocó tierras caribeñas, creyó que había llegado a las islas situadas frente a la costa de La India, y se refirió a los habitantes como «indios» y a las islas como «Las Indias». A pesar de no encontrar pimienta negra, no es de extrañar que los frutos picantes que encontró fueran conocidos más tarde como «pimientos», aunque pertenecieran al género Capsicum, un grupo vegetal totalmente distinto. Actualmente distinguimos ambas plantas llamando a una pimienta negra y a la otra pimientos, como los jalapeños y habaneros (chiles típicos de México).

Pimienta negra. Los frutos de Piper nigrum dan origen a la pimienta negra.

En todo el mundo, cerca de la mitad de los bosques primarios han desaparecido y han sido reemplazados por ciudades, granjas u otros centros de actividad humana. Gran parte de la selva se destruye mediante lo que se conoce como agricultura de «roza y quema», en la que se limpia la zona (Figura 1.5), la tierra se utiliza para el cultivo durante unos pocos años, hasta que los nutrientes del suelo se agotan, y entonces se abandona el lugar. En vista de la importancia de los vegetales, resulta alarmante saber que la actividad humana, en especial, la destrucción de las selvas, provoca la extinción de un gran número de especies vegetales y animales. Las cifras de extinción varían de forma considerable. El biólogo de la Universidad de Harvard, Edward O. Wilson, en su libro La diversidad de la vida, calcula, prudentemente, que cada año se extinguen 2.700 especies de organismos. Otros científicos calculan que entre 1990 y 2020 podrían extinguirse entre el 5% y el 40% de todas las especies, incluidos numerosos vegetales que pueden contener compuestos de incalculable valor, útiles para la Medicina. El 20% de todas las especies vegetales tropicales y semitropicales podrían haberse extinguido ya, entre 1952 y 1992. El tema de la Biología de la Conservación será car-

dinal en el texto principal, en los temas de los cuadros y en el capítulo conclusivo.

La Biotecnología busca desarrollar nuevos productos a partir de las plantas Desde los tiempos de la Prehistoria, los humanos han buscado vegetales mejorados que suplieran sus necesidades de manera más eficaz. La ciencia de la Botánica se desarrolló debido a la curiosidad inicial acerca de estos organismos, tan necesarios en nuestras vidas. La Biotecnología se encarga de la obtención de vegetales y productos vegetales mejorados mediante técnicas científicas. Ciertamente, tal afán cuenta con una larga historia, que tiene su origen en los primeros agricultores que experimentaron con diferentes semillas. La Biotecnología moderna hace uso de la Química y la Biología (véase el cuadro Biotecnología en la página 11). Como cualquier otro organismo, un vegetal contiene información hereditaria en forma de moléculas de ADN (ácido desoxirribonucleico). Concretamente, las secuencias de ADN que comprenden información hereditaria se

01_Capítulo

22/11/05

16:38

Página 9

CAPÍTULO 1

◆

El mundo de las plantas

9

denominan genes y determinan las características físicas de un organismo. En años recientes, los científicos han sido capaces de mover y modificar genes para producir vegetales con unos rasgos deseados, un método biotecnológico relativamente nuevo conocido como Ingeniería Genética. El desarrollo de vegetales modificados genéticamente (MG) ha resultado ser a la vez revolucionario y polémico, pues ha originado tanta controversia que un buen número de personas identifica de forma automática la Biotecnología con la Ingeniería Genética. He aquí una serie de ejemplos de los usos de la Ingeniería Genética en el desarrollo de vegetales MG.

«Arroz dorado» Como ocurre con otros cultivos importantes, el arroz no contiene las cantidades precisas de algunos nutrientes necesarios y es especialmente pobre en vitamina A. Cada día, en las regiones donde el componente fundamental de la dieta es el arroz, la deficiencia de vitamina A es la causa de ceguera de casi medio millón de niños, y de la muerte de entre uno y dos millones de mujeres embarazadas y de personas con un sistema inmunológico débil. En Suiza, algunos genetistas vegetales han comenzado a trabajar en este problema mediante la adición al arroz de dos genes del narciso y un gen bacteriano. Con estos genes adicionales, el «arroz dorado» resultante puede fabricar un betacaroteno de color dorado, fuente de vitamina A (Figura 1.6).

(a)

Figura 1.6. (b)

Figura 1.5.

Destrucción de las selvas.

Los vestigios de la agricultura de roza y quema en la Península mexicana de Yucatán (a) contrastan fuertemente con (b) una selva intacta en el Parque Nacional Braulio Carrillo, en Costa Rica.

«Arroz dorado».

Ingo Potrykus, del Instituto Federal de Tecnología de Suiza, ideó una variedad de arroz modificada genéticamente que pudiera ayudar a alimentar a los niños de todo el mundo. Al inyectar genes de narciso y una bacteria llamada Erwinia uredovora en embriones de arroz, Potrykus creó el «arroz dorado», modificado genéticamente para que fabrique betacaroteno, del cual puede obtenerse la vitamina A.

01_Capítulo

22/11/05

10

16:38

Página 10

CAPÍTULO 1

◆

El mundo de las plantas

BIOLOGÍA

D E

L A

C O NSE RVA C I ÓN

El reto de la conservación de los bosques ntes de la llegada en el siglo XVIII de grandes masas de europeos, Norteamérica estaba plagada de bosques. A finales del siglo XIX, más de la mitad de estos bosques había desaparecido, y la población comenzaba a darse cuenta de que los recursos agrícolas y forestales no eran ilimitados. El presidente Theodore Roosevelt y el reformista Gifford Pinchot se encontraban entre los primeros defensores de la Conservación, un movimiento consagrado a preservar los recursos naturales mediante su uso apropiado. Pinchot veía

A

Bosque Nacional Gifford Pinchot. Situado en Washington DC, el bosque engloba el área del Monte Saint Helens, un lugar importante para el estudio de la regeneración vegetal natural tras una erupción volcánica.

Plantas resistentes a las plagas La adición de un gen bacteriano, llamado gen Bt, hace que los cultivos sean resistentes a determinados insectos, lo que permite a los agricultores evitar el uso de pesticidas.

Vacunas comestibles Los humanos y otros mamíferos aniquilan los organismos invasores portadores de enfermedades mediante la producción de moléculas denominadas anticuerpos, que activan el sistema inmunológico. Cuando un gen perteneciente a un organismo causante de una enfermedad se añade a un vegetal, las personas que ingieran ese vegetal

una nación «obsesionada por una furia de desarrollo… explotando la riqueza del más rico de los continentes», secundada, además, por la venta de Reservas Forestales pertenecientes al Gobierno a los mejores postores. Pinchot, designado Jefe de la U.S. Division of Forestry (División de Selvicultura estadounidense) en 1898, trabajó para preservar los bosques de U.S.A. Después de asumir la Presidencia en 1901, Roosevelt advirtió que, sin la Conservación, los bosques desaparecerían en un plazo de 60 años. En 1905, el Congreso transfirió las Reservas Forestales al nuevo U.S. Forest Service (Servicio Forestal estadounidense), con Pinchot al frente. Posteriormente denominados Bosques Nacionales, estas áreas de recursos fueron administradas con el fin de proporcionar, de manera perpetua, el mayor bien para el mayor número de personas. En un principio, la idea de los Bosques Nacionales no fue bien acogida, especialmente en el Oeste de Estados Unidos. Aun hoy, pese a disponer de Bosques Nacionales, el uso sostenido de los recursos forestales se divisa lejano. En la mente y acción de cada nueva generación debe reavivarse la verdadera noción de la Conservación. Desde la época de Roosevelt y Pinchot, el mundo se ha convertido en un lugar diferente. En numerosos casos es difícil equilibrar las necesidades actuales con la posibilidad de una futura escasez. Hay tres factores que han incrementado la presión de utilizar los recursos naturales: el alto nivel de vida en los países desarrollados, el crecimiento acelerado de la población y la lucha de los países en desarrollo por alcanzar un nivel de vida aceptable. El ánimo de hacer frente a los retos de la Biología de la Conservación es uno de los puntos en los que se centra este libro.

pueden desarrollar anticuerpos contra dicha enfermedad. Por ejemplo, una variedad concreta de la bacteria Escherichia coli provoca una diarrea responsable de la muerte de dos millones de niños al año. Las patatas depositarias de un gen de dicha bacteria provocaron una respuesta inmunológica de resistencia a la enfermedad en las personas que las comieron. El gen puede añadirse a los plátanos o a otros cultivos habituales en muchos países en desarrollo.

Plantas resistentes a toxinas Más del 40% de las tierras cultivadas contiene un exceso de iones tóxicos, que reducen e incluso impiden la producción de cultivos. Al añadir determinados genes bacte-

01_Capítulo

22/11/05

16:38

Página 11

CAPÍTULO 1

◆

El mundo de las plantas

11

B IO T E C NO L O G ÍA El uso de los vegetales para combatir las bacterias maginemos por un momento que nos encontramos con esta terrible situación: las bacterias han evolucionado hasta ser totalmente resistentes a los antibióticos, que antaño las eliminaban sin problema. Enfermedades como la tuberculosis, que antes se trataba con antibióticos, alcanzan niveles casi epidémicos. ¿Acaso suena increíble? Pues esta «ciencia ficción» está cada vez más cerca de convertirse en la cruda realidad. Cuando en la década de 1940, se pusieron por primera vez los antibióticos al alcance del público, éste los exaltó como milagrosas medicinas que eliminaban las bacterias con un perjuicio mínimo o inexistente para la persona infectada. Sin embargo, las bacterias son cada vez más resistentes a los antibióticos, y frecuentemente rechazan los antibióticos antes de que estos puedan dañar la célula bacteriana. Algunas variedades de estafilococos (Staphylococcus) y otras especies bacterianas son ya resistentes a más de 100 antibióticos. Ahora que nos encontramos en esta preocupante situación, ¿qué podemos hacer? Entre los investigadores que buscan posibles soluciones se encuentran Frank Stermitz, de Colorado State University, y Kim Lewis, de Tufts University, que estudian la química de los vegetales y, en especial, las propiedades para combatir enfermeda-

I

des de alcaloides como la berberina. La berberina, utilizada durante mucho tiempo como medicina por los nativos americanos, se comercializa hoy para aliviar los síntomas de la artritis, diarrea, fiebre, hepatitis y reumatismo. Stermitz y Lewis encontraron berberina en las hojas y en la savia de algunas variedades del vegetal conocido como uva de Oregón, del género Berberis. Los primeros estudios de la berberina en tubos de ensayo fueron desalentadores, pues revelaban que el extracto puro poseía poca actividad antibiótica. No obstante, al combinar la berberina con otros compuestos procedentes del vegetal se incrementaba enormemente su actividad antibiótica, rivalizando con los antibióticos más eficaces contra los estafilococos. ¿Qué hizo exactamente que la berberina fuera más eficaz? Stermitz y Lewis descubrieron que la uva de Oregón produce un segundo compuesto, 5’-metoxihidnocarpina (5’-methoxyhydnocarpin o 5’-MHC), que evita que la bacteria rechace a la berberina, permitiendo así que el antibiótico elimine el germen bacteriano. Hoy en día, los investigadores estudian si esta combinación funciona en animales vivos. Con el tiempo, vacunas y nuevos antibióticos, tal vez derivados de los vegetales, podrían controlar esta peligrosa bacteria.

Uva de Oregón. La berberina se extrae de este vegetal.

rianos a los vegetales, éstos se vuelven resistentes a iones tóxicos como los compuestos de mercurio, sales de aluminio y cloruro sódico. En algunos casos, las plantas que acumulan determinados iones tóxicos pueden cultivarse y luego extraerse, purificando así los suelos contaminados.

Plantas resistentes a los herbicidas Las malas hierbas disminuyen la producción de cultivos al competir con éstos por los nutrientes, el agua y el espacio necesarios para el crecimiento. Los científicos han añadido genes a los cultivos para hacerlos resistentes a los herbicidas (productos químicos utilizados para matar las malas hierbas), que pueden utilizarse para eliminarlas sin

dañar los cultivos. Muchos de estos herbicidas no poseen efectos conocidos en los animales o en los humanos y pueden, por tanto, utilizarse de manera segura en los cultivos. En algunos casos, los vegetales pueden desempeñar un papel insólito en los experimentos de Ingeniería Genética realizados con animales. Por ejemplo, los científicos que buscan mecanismos para controlar el dolor han experimentado con las respuestas de ratones a la capsaicina, el alcaloide que hace que los pimientos sean picantes al gusto. Los genes de dichos ratones han sido modificados de forma que no evitan comer pimientos picantes, sino que los comen sin problemas (Figura 1.7). El hecho de que los ratones saboreen una salsa picante puede no parecer un gran paso, pero los receptores celulares que sensibilizan a

01_Capítulo

22/11/05

12

16:38

Página 12

CAPÍTULO 1

◆

El mundo de las plantas

malezas». El polen de los cultivos resistentes a insectos puede ser ingerido por poblaciones de insectos útiles o inofensivos, que morirían. En la polémica sobre el uso de vegetales MG, es esencial comprender cómo se producen y lo que se puede lograr con ellos. La indiscutible preocupación debe distinguirse del miedo a que los vegetales MG sean el equivalente botánico al monstruo de Frankenstein. Durante siglos, los cultivadores de plantas han producido plantas modificadas genéticamente mediante métodos tradicionales. Las técnicas de la Ingeniería Genética aceleran este proceso y también hacen posible introducir genes procedentes de una amplia variedad de organismos ajenos a los vegetales. El Capítulo 14 estudia la Biotecnología Vegetal en general y la Ingeniería Genética en particular. Al mismo tiempo, la Biotecnología será un tema recurrente en el contenido de los cuadros que se presentan en el libro.

Repaso de la sección

Figura 1.7.

El uso de las plantas para modificar las respuestas animales.

Este ratón ha sido modificado genéticamente para carecer del receptor para la capsaicina, el ingrediente que hace que los pimientos chile sean picantes. El ratón se come el habanero picante y muestra, además, una reducción de la sensibilidad a la acidez y al calor. El estudio de la elevada tolerancia de este animal a los chiles puede proporcionarnos información que contribuya al control del dolor en el ser humano.

las personas contra el picor de estos pimientos también responden a otros estímulos de calor y dolor. Estudios más amplios sobre estos ratones y sus respuestas modificadas a la capsaicina pueden proporcionarnos numerosas pistas para saber cómo controlar determinados tipos de dolor. Pese a que la ciencia de la Ingeniería Genética ha avanzado con rapidez, sus implicaciones sociales no están muy claras. Los cultivos MG han de ser comprobados y regulados para asegurarse de que son inocuos para el consumo humano y de que no ponen en peligro a los animales o al Medio Ambiente en sí. Por ejemplo, algunas personas pueden ser alérgicas a los productos del gen de un organismo introducidos en un cultivo. Los genes resistentes a los herbicidas son susceptibles de escaparse hacia otros vegetales, lo que daría lugar a las llamadas «super-

1. ¿De qué tres maneras sustenta la fotosíntesis la vida sobre la Tierra? 2. ¿Cómo satisfacen los vegetales las necesidades humanas diarias? 3. ¿Cuáles son los mayores retos de la Biología de la Conservación? 4. ¿Cuáles son algunos de los beneficios potenciales de los cultivos MG? ¿Cuáles son los posibles problemas derivados?

Características y diversidad de las plantas Desde los tiempos de los antiguos griegos hasta la mitad del siglo XIX, los organismos se clasificaban simplemente como vegetales o animales. Se consideraban vegetales si no caminaban, eran verdes y no se alimentaban de otros organismos. Aquéllos que se movían y se alimentaban de otros organismos eran animales. Por consiguiente, la categoría de los vegetales incluía no sólo organismos como musgos, helechos, pinos y plantas con flores, sino también algas y hongos. Básicamente, las algas estaban incluidas en el grupo porque eran verdes, y los hongos estaban incluidos en gran medida porque no se movían. Sin embargo, hoy en día, los botánicos consideran que las plantas son radicalmente diferentes a los hongos, y también se suelen definir con independencia de las algas.

01_Capítulo

22/11/05

16:38

Página 13

CAPÍTULO 1

Al distinguir las plantas de otros organismos, los científicos tienen en cuenta la historia de la evolución: todos los cambios que han transformado la vida desde sus inicios hasta la diversidad de organismos actual. A medida que los organismos han evolucionado a través del tiempo, han surgido las diferencias en sus genes, frecuentemente reflejadas en las características morfológicas. No obstante, los intentos de clasificación de los organismos basados en las características externas y en el comportamiento siempre parecen acarrear excepciones. Después de examinar la manera en la que la mayoría de los botánicos definen los vegetales, veremos distintos ejemplos de la diversidad vegetal.

Características que distinguen a las plantas de otros organismos Las cinco características siguientes, recopiladas en la Figura 1.8, son las utilizadas más frecuentemente para iden-

El mundo de las plantas

13

tificar las plantas y para distinguirlas de otros organismos vivos:
Las plantas son eucariotas pluricelulares («muchas células»). En la clasificación moderna, la distinción más simple entre organismos se realiza según el tipo de células, eucariotas o procariotas. Las plantas se encuentran entre los eucariotas, organismos cuyas células poseen núcleo, membrana (envoltura nuclear) que contiene el ADN celular. Los animales, hongos y protistas, como las algas, también son eucariotas. Los procariotas son organismos cuyas células no tienen un núcleo separado, como las bacterias. Más adelante, en el libro, se aportará información sobre los procariotas, protistas y hongos.  Casi todas las plantas son capaces de realizar la fotosíntesis. Como las plantas pueden fabricar sus propios alimentos mediante la misma, se les conoce como autótrofas («que se alimentan a sí mismas»).

5 Embrión protegido dentro de la planta madre

1 Eucariota pluricelular

2 Fotosíntesis: Dióxido de carbono+Agua+Energía solar

◆

Azúcares 4 Dos formas adultas: Forma adulta que produce esporas

3 Pared celular compuesta de celulosa En algunos vegetales, Huevos las formas adultas Esporas y esperma están separadas; en otras están unidas

Núcleo que alberga el ADN

Forma adulta que produce huevos y esperma

Figura 1.8.

Características típicas de una planta.

Las características típicas de una planta que aquí figuran corresponden a las descripciones enumeradas en el texto.

01_Capítulo

22/11/05

14

16:38

Página 14

CAPÍTULO 1

◆

El mundo de las plantas

En contrapartida, los animales y los hongos son heterótrofos («que se alimentan de otros»), pues obtienen los alimentos a partir de otros organismos. Los animales ingieren los alimentos, mientras que los hongos los absorben.  Las plantas poseen paredes celulares compuestas principalmente por celulosa. La celulosa es una cadena de moléculas de glucosa. Las paredes celulares ricas en celulosa ayudan a distinguir las plantas de otros eucariotas, ya que las paredes de algas y hongos están compuestas principalmente de otras sustancias, mientras que los animales no poseen paredes celulares.  Las plantas presentan dos formas o fases adultas que se alternan para producirse mutuamente. Una de ellas fabrica esporas, células reproductoras que pueden convertirse en adultos sin fusionarse con otra célula reproductora. La otra forma adulta fabrica espermatozoides (células reproductoras masculinas) u ovocélulas (células reproductoras femeninas). El espermatozoide fecunda la ovocélula para crear un embrión que da lugar al organismo adulto. En el Capítulo 6 se explica cómo se alternan ambas formas adultas para producirse mutuamente.  El embrión pluricelular de las plantas se encuentra protegido dentro de la planta madre. Los embriones protegidos evolucionaron como una forma de adaptación a la vida terrestre, para evitar la desecación del embrión. Esta característica distingue a las plantas de las algas. Cada una de estas características no es inherente por sí misma a las plantas, pero en conjunto todas son útiles para distinguir las plantas de otros organismos. Particularmente, hay dos características adicionales que ayudan a distinguir las plantas de la mayoría de los animales. A diferencia de la casi totalidad de éstos, las plantas pueden reproducirse de dos maneras. La mayor parte de los animales, una vez alcanzada su madurez, sólo pueden reproducirse mediante reproducción sexual, que implica la fecundación de una ovocélula por el espermatozoide y da lugar a hijos distintos a ambos padres. Por el contrario, la progenie vegetal puede concebirse mediante reproducción sexual o reproducción asexual, en la que un único progenitor puede tener hijos idénticos a él. Asimismo, el crecimiento vegetal es bastante diferente al animal. Los vegetales pueden crecer durante toda su vida y, debido a que este crecimiento es ilimitado, se conoce como crecimiento indeterminado. En contrapartida, un animal

prácticamente termina de crecer al convertirse en adulto, un patrón denominado crecimiento determinado. La Figura 1.9 compara las características clave de las plantas, animales, hongos, algas y bacterias. Una vez vistas las características generales de las plantas, haremos un pequeño recorrido a través de la evolución de la vida vegetal. Si pudiéramos comprimir la historia de la Tierra en un solo día, las plantas habrían existido durante las dos últimas horas. Con todo, son antiguos si los comparamos con los humanos, que sólo habrían existido durante el último minuto y medio. La mayoría de las personas asocian de manera inmediata plantas y flores, pero las flores se desarrollaron relativamente tarde, como veremos en el siguiente resumen de los principales tipos de plantas: musgos, helechos, Coníferas (vegetales con piñas), y plantas con flores (Figura 1.10).

Los musgos se encuentran entre las plantas más simples Los musgos se encontraban entre las primeras plantas, que evolucionaron a partir de ancestros relacionadas con las algas verdes entre 450 y 700 millones de años atrás. Pertenecen a un grupo de plantas sin flores pequeñas, conocidas como Briófitos (del griego bryon, «musgo», y phyton, «planta»), que poseen una estructura más simple que la del resto de las plantas. Puede resultarnos familiar el musgo que crece en las rocas o que configura tenues alfombras en el suelo forestal. Los musgos nunca crecen más de unos pocos centímetros del suelo porque no están capacitados para el transporte ascendente de agua en el vegetal. El musgo esfagnáceo o esfagno, que crece en turberas y pantanos, es muy importante para la economía de muchas regiones del mundo (Figura 1.10a). Al descomponerse, genera un sustrato conocido como turba, que puede utilizarse como combustible y también como fertilizante. Además, el esfagno absorbe una cantidad considerable de dióxido de carbono, que de otra manera permanecería en la atmósfera contribuyendo al calentamiento global. El Capítulo 20 estudia la evolución y características de los musgos y otros Briófitos.

Los helechos y otras plantas del mismo grupo son ejemplos de plantas vasculares sin semillas La gran mayoría de las plantas son plantas vasculares, que evolucionaron a partir de ancestros relacionados con algas verdes aproximadamente en el mismo momento que

01_Capítulo

22/11/05

16:38

Página 15

CAPÍTULO 1

◆

El mundo de las plantas

15

Bacterias

Algas

Plantas

Hongos

Animales

Tipo de célula

Procariota; unicelulares, pero pueden formar colonias

Eucariota; unicelulares y pluricelulares

Eucariota; pluricelulares

Eucariota; pluricelulares

Eucariota; pluricelulares

Pared celular

Paredes celulares carentes de celulosa

Las paredes celulares de algunas especies contienen celulosa

Paredes celulares compuestas principalmente de celulosa

Paredes celulares compuestas principalmente por quitina

Sin paredes celulares

Tipo de nutrición

Varios; algunas son fotosintéticas autótrofas

Fotosintéticas autótrofas

Fotosintéticos autótrofos

Heterótrofos que absorben alimentos

Heterótrofos que ingieren alimentos

Fundamentalmente asexual

Sexual y asexual; algunas especies presentan dos formas o fases adultas: una que produce esporas y otra que produce ovocélulas y espermatozoides

Sexual y asexual; dos formas o generaciones adultas: una que produce esporas y que produce ovocélulas y espermatozoides; embrión protegido dentro de la planta madre

Sexual y asexual

Fundamentalmente asexual; embrión protegido dentro de la madre en algunas especies, incluidos la mayoría de los mamíferos

Indeterminado

Indeterminado o determinado

Indeterminado o determinado

Indeterminado o determinado

Determinado

Reproducción

Crecimiento

Figura 1.9.

Comparación de las plantas con otros organismos.

Como se puede observar, las plantas comparten una o más características con cada uno de estos otros tipos de organismos: bacterias, algas, hongos y animales. No obstante, las plantas difieren de cada uno de estos grupos en uno o más aspectos de la estructura celular, nutrición, reproducción y crecimiento.

los Briófitos. Las plantas vasculares poseen un tejido vascular muy organizado y eficiente, consistente en células unidas en tubos que transportan agua y nutrientes a lo largo del cuerpo del vegetal. Al ser, en general, de mayor tamaño que los Briófitos, las plantas vasculares son más visibles, aunque varían entre diminutas y gigantescas. Las plantas vasculares más simples son las plantas vasculares sin semillas, que comenzaron a evolucionar entre 450 y 700 millones de años atrás. Si pudiéramos viajar 350 millones de años atrás en el tiempo, podríamos ver los continentes unidos en una gran masa de tierra a lo largo del Ecuador, cubierta por neblinosas junglas y pantanos. Los anfibios, algunos de gran tamaño, serían los reyes del mundo animal, sin un reptil, pájaro o mamífero a la vista. Tampoco veríamos plantas con piñas, flores o frutos. Por el contrario, un amplio abanico de plantas vasculares sin semillas dominaría el paisaje, algunas muy parecidas a los helechos modernos. Sin embargo, otras serían enormes árboles de bosque, algunos con ramas parecidas a las de los helechos, pero bastante diferentes a cualquier vegetal conocido actualmente.

Las plantas vasculares sin semillas más conocidas son los helechos, que habitan en regiones húmedas porque sus espermatozoides poseen estructuras microscópicas en forma de cola que deben nadar a través de una capa de agua para llegar a las ovocélulas (Figura 1.10b). El Capítulo 21 explora la evolución y características de las plantas vasculares sin semillas.

Los pinos y otras Coníferas son ejemplos de plantas sin flores con semillas En la mayoría de las plantas vasculares, el embrión se encuentra dentro de la semilla, una estructura que comprende no sólo el embrión, sino también una reserva de alimentos, envueltos ambos en una cubierta protectora. Existen dos tipos generales de plantas con semillas: plantas con flores y semillas, y plantas sin flores con semillas. Las plantas sin flores con semillas, conocidas como Gimnospermas (del griego gymnos, «desnudo», y sperma, «semilla»), se desarrollaron por primera vez hace unos 365 millones de años. Sus descendientes modernos

01_Capítulo

22/11/05

16

16:38

Página 16

CAPÍTULO 1

◆

El mundo de las plantas

(a) Los musgos son el tipo de Briófito más común. Este esfagno produce esporangios marrones que contienen esporas.

(b) Los helechos son el grupo más extenso de plantas vasculares sin semillas.

(c) La mayor parte de Gimnospermas son Coníferas, con las semillas incluidas en piñas. Los bosques de Coníferas son típicos de climas fríos y de montaña.

Figura 1.10.

(d) Las plantas con flores, conocidas como Angiospermas, son, con diferencia, el mayor grupo de vegetales modernos.

La diversidad de las plantas.

Estas imágenes representan los cuatro grupos principales de plantas: Briófitos, plantas vasculares sin semillas, Gimnospermas y Angiospermas.

más conocidos son las plantas leñosas denominadas Coníferas (del latín conifer, «portador de conos»), cuyas semillas se desarrollan dentro de las piñas. Las semillas están «desnudas» sólo en el sentido de que no están totalmente aisladas dentro de una capa protectora. Por lo general, las Coníferas son árboles de hoja acicular perenne, como el abeto, el pino y la secuoya (Figura 1.10c). Las secuoyas se cuentan entre las plantas más altas del mundo, con alturas a menudo superiores a los 90 metros.

Durante la Era Mesozoica (hace entre 245 y 65 millones de años), cuando los reptiles eran los animales reinantes, las Gimnospermas eran los vegetales dominantes y abarcaban miles de especies. Sin embargo, hoy en día comprenden solamente unos pocos cientos de especies de Coníferas, comunes en las regiones frías cercanas a los polos y en las montañas. El Capítulo 22 estudia la evolución y características de las Gimnospermas.

01_Capítulo

22/11/05

16:38

Página 17

CAPÍTULO 1

La mayoría de las plantas son plantas con flores y semillas, las cuales se encuentran protegidas en frutos Las plantas con flores y semillas se denominan Angiospermas (del griego angion, «recipiente», y sperma, «semilla») (Figura 1.10d). A diferencia de las semillas de las Gimnospermas, las de las plantas con flores están contenidas en el ovario, que al madurar se convierten en un fruto. Pese a que las Angiospermas se desarrollaron hace relativamente poco tiempo, unos 145 millones de años, hoy en día representan la mayor parte de las variedades de plantas existentes. De hecho, existen 20 veces más tipos de plantas con flores que de helechos y Coníferas. Una de las razones por las que las Angiospermas han logrado adaptarse con mayor éxito en múltiples entornos es porque poseen un sistema más rápido para transportar el agua a lo largo del cuerpo vegetal, como veremos en el Capítulo 3. Otra razón por la que están tan extendidas es que sus semillas están encerradas en frutos, que les proporcionan protección adicional y pueden asimismo contribuir a su dispersión. Las plantas con semillas se estudian más extensamente en el Capítulo 23. Los Briófitos, plantas vasculares sin semillas, Gimnospermas y Angiospermas reflejan cuatro desarrollos evolutivos principales: el origen de los vegetales terrestres a partir de las algas, el origen del tejido vascular, el origen de las semillas y el origen de las flores y los frutos. A lo largo de este libro, el texto principal y los cuadros «Evolución» explorarán la forma en la que han evolucionado estas características en diversos tipos de vegetales. La lista que figura en el Apéndice, al final del libro, muestra la Clasificación científica en grupos de los vegetales.

Repaso de la sección 1. Describe las características generales de una planta. 2. Describe los tipos principales de plantas.

La Botánica y el método científico Durante el siglo XVII, los botánicos comenzaron a realizar experimentos para determinar cómo crecían los vegetales. Advirtieron, por ejemplo, que una planta en un tiesto ganaba peso de manera considerable a lo largo del tiempo, aunque la cantidad de suelo en el mismo seguía sien-

◆

El mundo de las plantas

17

do más o menos la misma. Concluyeron, acertadamente, que el agua debía contribuir de forma considerable al crecimiento. El estudio de los vegetales, como cualquier otra ciencia, implica siempre realizar observaciones, formular preguntas acerca de lo que se observa, desarrollar posibles respuestas y comprobar entonces con qué firmeza se sustentan estas respuestas en los hechos. Por lo general, este procedimiento se conoce como método científico, aunque no existe uno formal, común a todos los científicos.

Al igual que el resto de científicos, los botánicos también comprueban las hipótesis La palabra ciencia procede del latín scientia, que significa «tener conocimiento». El conocimiento científico es un tipo determinado de conocimiento, diferente del resto, como, por ejemplo, del conocimiento basado en la fe. La ciencia es la búsqueda del conocimiento basada en la observación directa del mundo natural y en la experimentación para probar las conclusiones. Cualquier conclusión que pueda ser investigada mediante la observación de fenómenos naturales está dentro del alcance de la ciencia. Por ejemplo, la proposición de que a partir de las bellotas crecen las petunias puede probarse sembrando bellotas y observando que se obtienen robles. Por el contrario, cualquier afirmación que no pueda probarse mediante la experimentación o la observación está fuera del alcance de la ciencia. Por ejemplo, la afirmación de que el mundo es resultado de la creación divina está fuera del dominio de la ciencia, porque no existe experimento alguno que pueda probar su veracidad. No obstante, se debe tener en cuenta que la ciencia en sí misma se fundamenta en determinadas creencias básicas que no pueden probarse, como la creencia en que las leyes de la Química, la Física y la Biología hoy válidas serán las mismas el día de mañana. He aquí un ejemplo de este enfoque experimental. Si quisiéramos saber si la luz solar hace crecer la hierba, podríamos llevar a cabo un experimento cubriendo una pequeña parcela de césped con una caja que bloqueara totalmente la entrada de luz. Podríamos predecir que si la luz solar hace que la hierba crezca, entonces la hierba situada bajo la caja debería crecer menos que la hierba no cubierta. Transcurrida una semana, al retirar la caja, descubrimos que la hierba tapada ha crecido más que la descubierta. Aparentemente, en este caso, la hierba ha crecido más en ausencia de la luz solar. (Estudiaremos estos sorprendentes resultados más adelante, en este mismo capítulo.)

01_Capítulo

22/11/05

18

16:38

Página 18

CAPÍTULO 1

◆

El mundo de las plantas

Un precoz defensor de la utilización del enfoque experimental fue Sir Francis Bacon (1561-1626) (Figura 1.11), que creía que los científicos de su época confiaban demasiado en los trabajos del filósofo griego Aristóteles (384-322 a.C.). A pesar de que Aristóteles realizó muchas observaciones y escribió volúmenes enteros sobre las ciencias, especialmente sobre Zoología, no siempre fue un observador escrupuloso, y rara vez realizó experimentos para probar sus conclusiones. Por ejemplo, creía que los vegetales no se reproducían sexualmente. Muchos de los contemporáneos a Bacon admitían las conclusiones aristotélicas sin comprobarlas, aplicando simplemente dichas conclusiones generales a factores específicos. Este razonamiento que nos conduce de lo general a lo específico se conoce como razonamiento deductivo. Como ejemplo del mismo, Aristóteles desarrolló la generalización (también conocida como premisa mayor) de que los vegetales no cuentan con reproducción sexual. Identificaría entonces un organismo en concreto como vegetal (tesis conocida como premisa menor). Sin una observación en profundidad de dicho vegetal concluyó que,

Figura 1.11.

Sir Francis Bacon.

Bacon creía firmemente en el poder de la experimentación y en el método científico para desenmascarar la verdad.

puesto que este organismo era un vegetal, no disponía, por tanto, de reproducción sexual, una conclusión basada en la deducción y no en la observación. Bacon consideró vano limitarse a recopilar datos sin generar posteriores conclusiones basadas en los mismos. Sentía aún menos simpatía por aquellos que exponían conclusiones sin molestarse en cimentarlas con datos. Los describió como arañas tejedoras de redes, elaborando conclusiones limitadas a sus cerebros como «telarañas del aprendizaje, admirables por la finura del hilo y del trabajo, pero carentes de sustancia o provecho». En cambio, Bacon admiraba a aquellos que recopilaban y analizaban datos para alcanzar conclusiones que luego aplicaban, comparándolos con abejas que visitan numerosas flores y utilizan entonces lo que han reunido para fabricar algo útil: la miel. Bacon creía que los científicos debían comenzar por las observaciones específicas para luego forjar conclusiones generales basadas en las mismas, un proceso conocido como razonamiento inductivo. Consideremos, por ejemplo, la observación de que muchos vegetales producen polen, que las abejas transportan de las flores de un vegetal a las flores de otro. Más tarde, la observación revela que parte de la flor polinizada se convierte en un fruto, que contiene semillas que dan lugar a una nueva generación, mientras que las flores no polinizadas no desarrollan frutos ni semillas. Teniendo en cuenta tal información, una conclusión posible sería afirmar que los vegetales disponen de reproducción sexual. He aquí otro ejemplo de la Botánica para ilustrar cómo funciona el razonamiento inductivo. Podríamos observar que las plantas con flores crecen hacia la luz, y podríamos preguntarnos si son las hojas las que detectan la presencia luminosa (Figura 1.12). En consecuencia, cubrimos las hojas de forma que la luz no las alcance y luego observamos que el vegetal sigue creciendo hacia la luz. Lo intentamos entonces cubriendo las flores, con el mismo resultado. Sin embargo, cuando cubrimos únicamente el extremo o ápice del tallo, observamos que la planta deja de crecer hacia la luz. A partir de tales observaciones, concluimos que es el ápice el que detecta la luz. En realidad, el responsable de este descubrimiento fue el famoso naturalista inglés Charles Darwin, quien publicó el libro El poder del movimiento en las plantas en 1880. Más tarde, se descubrió que el ápice responde concretamente a la luz azul. Aunque no todos los científicos siguen una estricta serie de pasos, las actividades que figuran a continuación, resumidas en la Figura 1.13, describen grosso modo cómo se adquiere el conocimiento científico:

01_Capítulo

22/11/05

16:39

Página 19

CAPÍTULO 1

2.

3.

(a)

(b)

Figura 1.12.

Experimentos de Charles Darwin con tallos que detectan la luz.

Charles Darwin publicó sus resultados en un repertorio de diferentes estudios científicos, amén de sus trabajos sobre la evolución. Mediante la experimentación, descubrió que el extremo de un tallo detecta la luz. (a) Si se cubre el ápice, el tallo no crece hacia la luz. (b) Si el ápice está desnudo, se tuerce en la dirección de la luz.

1. Observación y recopilación de datos. A menudo, los científicos reúnen información sin tratar de explicarla desde un primer momento. Por ejemplo, muchos tipos de vegetales, en diferentes lugares, parecen crecer hacia la luz. Si nos remitimos al ejemplo previo, diríamos que la luz incide en varias partes del vegetal, y al menos una de ellas debe detectar la luz. Podríamos oscurecer varias zonas del vegetal para ver si todavía sigue tornándose hacia la luz.

4.

5.

◆

El mundo de las plantas

19

No obstante, las observaciones podrían ser erróneas debido a cambios en el medio o a problemas con el observador o con el equipo. Como sabemos, la visión de un lago lejano en el desierto puede ser una ilusión óptica conocida como espejismo. Asimismo, observadores distintos pueden ofrecer descripciones radicalmente diferentes del mismo acontecimiento. Formulación de preguntas críticas. Los científicos formulan cuestiones críticas antes y después de las observaciones. Con respecto a nuestro ejemplo, una pregunta crítica es: «¿Qué zona del vegetal detecta la luz?». Enunciación de la hipótesis. Una hipótesis es una respuesta eventual a una pregunta, que intenta enlazar los datos en una relación causa-efecto. Podríamos pensar que la hipótesis es una suposición fundamentada susceptible de comprobación. En nuestro ejemplo, la primera hipótesis es que la hoja detecta la luz e induce el crecimiento del vegetal hacia ella. Si un acontecimiento sucede a otro, ello no implica una relación causa-efecto. Si la campana del reloj de una torre suena cada mañana justo después de entrar a clase, no significa que la campana suene cada vez que entramos a clase. Tampoco los gallos son los responsables de la salida del sol, aunque ellos lo creyeran así. Por el contrario, una relación causa-efecto legítima es la visita de una abeja a una flor y la formación de la semilla en la misma. Las abejas transportan polen de un vegetal a otro, lo que puede dar lugar a la fecundación y al consiguiente desarrollo del embrión. Con todo, sólo una meticulosa serie de observaciones suscribió esta relación causa-efecto. Comprobación de la hipótesis. Cada hipótesis sufre comprobaciones críticas que pueden o no apoyarla. Es más: la hipótesis debe ser al menos potencialmente falseable o incorrecta. La afirmación de que «las hojas permiten que el vegetal detecte la luz» es una hipótesis, porque puede comprobarse. Para saber si las hojas detectan la luz, podemos retirarlas o cubrirlas con papel de aluminio para ver si el vegetal sigue creciendo hacia la luz. Aceptación, modificación o rechazo de la hipótesis. Para determinar qué parte de un vegetal detecta la luz, podríamos tener que pasar por varias se-

01_Capítulo

22/11/05

20

16:39

Página 20

CAPÍTULO 1

◆

El mundo de las plantas

Observación y recopilación de datos El vegetal crece hacia la luz

Formulación de preguntas críticas ¿Qué parte del vegetal detecta la luz?

Enunciación de hipótesis Las hojas detectan la luz

El extremo superior del tallo del vegetal detecta la luz

Comprobación de hipótesis Cubrir o retirar Cubrir o retirar el borde las hojas superior del tallo

Resultados El vegetal sigue detectando la luz

El vegetal no detecta la luz

Interpretación y conclusiones Las hojas no El extremo superior detectan la luz del tallo detecta la luz

Hipótesis rechazada

Hipótesis admitida

Desarrollo de una nueva hipótesis.

Los resultados pueden sugerir otras cuestiones.

El extremo superior del tallo detecta la luz.

¿Qué rango de colores de la luz detectan los vegetales?

Figura 1.13.

Una hipótesis confirmada a gran escala puede convertirse en una teoría.

Enunciación y comprobación de las hipótesis.

El método científico consiste en realizar observaciones que conducen a una pregunta. Una o más hipótesis intentarán responderla. Cada hipótesis se comprueba entonces mediante experimentos, que pueden avalarla o no. A tenor de los resultados de la experimentación, la hipótesis se acepta o se rechaza.

ries de proposición, comprobación y rechazo de hipótesis. Por ejemplo, ni las hojas ni los tallos resultan ser la parte del vegetal que detecta la luz. Sólo cuando Darwin oscureció el extremo más superior del tallo, el vegetal cesó de crecer hacia la misma. Con frecuencia, una hipótesis debe comprobarse bajo condiciones diferentes o durante un período de tiempo mayor. Un ejemplo es el experimento que parecía indicar que la hierba crecía más deprisa en la oscuridad que en la luz. En realidad, esto es cierto sólo a corto plazo. Si colocamos una caja que bloquee toda entrada de luz en una parte del césped, la hierba tapada sufre una elongación más rápida durante unos días. En respuesta a la oscuridad, el tallo crece en busca de la luz, pero si se mantuviera en la oscuridad, la hierba moriría. La hierba necesita la luz solar y la fotosíntesis para producir alimentos para un crecimiento a largo plazo, aunque en términos de días el crecimiento en presencia de la luz sea más lento que en su ausencia. Una hipótesis fundamentada puede dar lugar a nuevas preguntas. Por ejemplo, ¿de qué manera el ápice, al detectar la luz azul, hace que una planta con flores crezca hacia la luz? ¿Cuál es el receptor de la luz azul en la planta con flores, y por qué el vegetal detecta la luz azul y no la verde? ¿Todos los vegetales detectan la luz de la misma manera? Si una hipótesis sobrevive a todo desafío, podría ser la explicación correcta, pero podría tener únicamente una aplicación limitada. No en vano, las hipótesis se originan a partir de una serie de experimentos determinados. Por ejemplo, los experimentos sobre la respuesta de los vegetales a la luz podrían realizarse en algunas plantas con flores, pero ¿pueden aplicarse sus resultados a todos los vegetales? Si una hipótesis fundamentada a pequeña escala (en este caso, para las plantas con flores), se avala posteriormente a gran escala (en este caso, para todos los vegetales), se convierte en una teoría. En otras palabras, una teoría tiene un campo de aplicación mucho más amplio que una hipótesis fundamentada. Por ejemplo, la evolución se considera una teoría porque la respaldan un sinfín de repetidas observaciones y experimentos referidos a diferentes organismos. Luego, en términos científicos, una teoría está muy fundamentada por las pruebas, en contraste con el uso informal del término para referirse a una explicación sugerida, que no necesariamente ha de estar bien fundamentada.

01_Capítulo

22/11/05

16:39

Página 21

CAPÍTULO 1

La mayoría de las hipótesis científicas deberían tener una vida corta, porque, se revisan y quizás descartan después que se comprueban. Aunque, de manera idealista, los científicos deberían ser objetivos, a veces son subjetivos, como cuando se muestran reacios a rechazar una hipótesis favorita porque les parece que debería ser correcta. Por lo general, el buen trabajo científico es como resolver un misterio o como la labor de un audaz detective. No necesariamente debemos saber «cómo se resolverá todo al final», pero si somos lógicos y concienzudos, aprenderemos mucho y nos divertiremos durante el proceso.

◆

◆

◆

La Botánica comprende muchos campos de estudio Hoy en día, los botánicos estudian muchos aspectos de los vegetales (Figura 1.14): ◆

◆

Los sistemáticos vegetales estudian la historia evolutiva de los vegetales. Otorgan nombres científicos a vegetales recién descubiertos y participan en estudios para identificar y preservar las especies que están en peligro de extinción o que se ven amenazadas. Los fisiólogos vegetales estudian el funcionamiento de los vegetales, centrándose en aspectos como la fotosíntesis, la floración y la acción de las hormonas. Los fisiólogos estudian la acción de los genes y los métodos para aislar aquéllos que son útiles, con el fin de trasladarlos de un vegetal a otro.

◆

◆

El mundo de las plantas

21

Los anatomistas vegetales analizan cómo se relaciona la estructura de los vegetales con sus funciones. Los paleobotánicos estudian la anatomía de vegetales fósiles para determinar su relación evolutiva con los vegetales existentes. Algunos anatomistas buscan genes que determinan el desrrollo de determinadas estructuras y tipos de células. Los morfólogos vegetales se interesan por los ciclos vitales de los vegetales y, en especial, por su forma de reproducción. También estudian la evolución vegetal y cómo han variado los ciclos vitales y la anatomía a lo largo del tiempo. Los ecólogos vegetales determinan cómo se relacionan las plantas con otros organismos en su medio y cómo satisfacen sus necesidades frente a variables como la temperatura y las precipitaciones. Algunos ecólogos estudian los efectos del ser humano en el Medio Ambiente y cómo éste ha contribuido al aumento de la tasa de extinción de especies vegetales. Los genetistas vegetales investigan la transferencia de información genética de una generación a la siguiente. Como ya hemos leído, la Biotecnología Vegetal y la Ingeniería Genética pueden mejorar los cultivos en la agricultura.

En los últimos años, estas disciplinas botánicas tradicionales se han interrelacionado. Por ejemplo, un ecólogo vegetal podría hacer uso de la Fisiología y la Genética en experimentos dirigidos a estudiar un gen específico productor de un alcaloide que disuade a los insectos depredadores. Un morfólogo podría utilizar técnicas fisiológicas y bioquímicas para investigar una enzima que controla el desarrollo de las células espermáticas del polen de una planta con flores. Un anatomista, un fisiólogo y un genetista podrían trabajar en conjunto para descubrir cómo una mutación puede impedir que un vegetal absorba agua de manera eficaz. Los descubrimientos en un determinado campo de la Botánica suelen tener consecuencias en otros campos.

Los botánicos estudian, además, las algas, los hongos y los microorganismos causantes de enfermedades

Figura 1.14.

Un botánico en su lugar de trabajo.

Este botánico estudia los efectos de los compuestos que regulan el crecimiento y desarrollo de los vegetales.

Además de estudiar la variedad de plantas, los botánicos investigan otros organismos fotosintéticos, como las algas (Capítulo 18) y las bacterias fotosintéticas. El estudio de las algas permite un mejor entendimiento de la evolución de los primeros vegetales a partir de antepasados simila-

01_Capítulo

22/11/05

22

16:39

Página 22

CAPÍTULO 1

◆

El mundo de las plantas

res a las algas. Los estudios en otros organismos fotosintéticos nos aporta también un conocimiento más extenso de los mecanismos fotosintéticos y el papel de la fotosíntesis en sí. No en vano, las algas y las bacterias fotosintéticas llevan a cabo prácticamente la mitad de la fotosíntesis mundial. Los hongos no son fotosintéticos, pero también se distinguen de las plantas por muchos otros aspectos (Capítulo 19). De hecho, un gran número de científicos, basándose en análisis de ADN, cree que los hongos están más íntimamente relacionados con los animales que con las plantas. Sin embargo, los botánicos suelen estudiar también los hongos porque tienen similitudes con las plantas y además afectan a éstas y a las personas. Por otro lado, algunos ayudan a las raíces a absorber minerales, mientras que otras son importantes en la producción alimenticia para el hombre o como fuente de antibióticos. Los botánicos también estudian la forma en que los hongos provocan enfermedades en los vegetales y animales. Asimismo, investigan la manera en que microorganismos como las bacterias provocan enfermedades en los vegetales y cómo afectan los virus a estos últimos. Los botánicos se interesan o se implican en tareas muy variadas. Dentro del mundo académico, son profesores, catedráticos e investigadores en colegios, institutos y universidades. Por otro lado, trabajan como guardabosques, agentes forestales, asesores ecológicos, etc. Las empresas

de Ingeniería Genética y las compañías farmacéuticas los contratan para investigar sobre plantas útiles y medicinas. Se convierten en granjeros, paisajistas y horticultores, es decir, se especializan en el cultivo de frutas, hortalizas, flores y plantas ornamentales. A veces se especializan en el estudio de determinados tipos de vegetales, como hierbas, uvas para vino, flores ornamentales, hierbas autóctonas o plantas resistentes a las sequías para céspedes y jardines. Como hemos visto, los botánicos forman parte de numerosas áreas de investigación con respecto a una impresionante variedad de vegetales y organismos relacionados, los cuales influyen enormemente en nuestras vidas. Los vegetales se estudian porque son formas de vida fascinantes por dentro y por fuera, pero también podríamos pensar que los estudiamos porque nuestras vidas dependen de ellos, y así es.

Repaso de la sección 1. ¿Cuál es la diferencia entre razonamiento deductivo y razonamiento inductivo? 2. Describe, en términos generales, cómo se adquiere el conocimiento científico. 3. ¿Qué diferencia hay entre una hipótesis fundamentada y una teoría? 4. ¿Cuáles son algunos de los campos de estudio de un botánico?

RESUMEN La importancia de las plantas La fotosíntesis sustenta la vida en la Tierra (págs. 3-4) La fotosíntesis sustenta la vida en la Tierra de tres maneras: (1) Mediante la producción de oxígeno, que la mayor parte de organismos necesita para liberar la energía almacenada en los alimentos; (2) proporcionando energía de forma directa a los vegetales y, por consiguiente, de manera indirecta a otros organismos a través de las cadenas alimenticias, y (3) por medio de la producción de azúcares y otras moléculas, que son los bloques de construcción de la vida. Las plantas son nuestra principal fuente de alimento (págs. 4-5) La agricultura permitió a los primeros humanos establecer asentamientos anuales basados en la agricultura y la ganadería.

Los primeros agricultores optimizaron los cultivos mediante el mejoramiento de vegetales. Los productores vegetales modernos se encargan de optimizar el rendimiento de los cultivos desarrollando vegetales con un crecimiento más rápido y resistentes a enfermedades. Alrededor del 80% de los alimentos mundiales procede del trigo, arroz, maíz, patatas, boniatos y mandioca o yuca. Las plantas son fuente de ingredientes para bebidas como el café, té y refrescos, así como de hierbas secas y especias. Muchas medicinas provienen de las plantas (págs. 5-6) Los vegetales han sido utilizados como medicinas durante siglos. La Química moderna ha puesto al alcance un mayor número de extractos vegetales con contenido en alcaloides y otros compuestos útiles. Un 25% de las prescripciones realizadas en Estados Unidos son de productos vegetales.

01_Capítulo

22/11/05

16:39

Página 23

CAPÍTULO 1

Las plantas nos proporcionan combustible, cobijo y productos de papel (págs. 6-7) La madera, que consiste fundamentalmente en células muertas del tronco de los árboles, es la principal fuente combustible para cocinar y producir calor en el mundo. Los combustibles fósiles están compuestos básicamente por restos vegetales fosilizados. La madera proporciona materiales para la construcción y productos de papel. La Biología de la Conservación es un área de investigación compleja (págs. 7-8) La Biología de la Conservación estudia la forma de conservar los recursos biológicos. Aproximadamente la mitad de los bosques primarios del mundo han desaparecido, y la reciente destrucción de las selvas podría provocar la extinción de miles de especies útiles. La Biotecnología busca desarrollar nuevos productos a partir de las plantas (págs. 8-12) La Biotecnología Vegetal se encarga del mejoramiento de los vegetales y sus productos derivados. Comprende la Ingeniería Genética, una metodología que utiliza la transferencia y modificación de genes. Los vegetales modificados genéticamente (MG) son fuente de nutrición y de vacunas, y son resistentes a las pestes, a los minerales tóxicos del suelo y a los herbicidas. Debemos distinguir entre una preocupación razonable y un miedo infundado con respecto a los vegetales MG.

Características y diversidad de las plantas Características que distinguen a las plantas de otros organismos (págs.13-14) Las plantas son eucariotas pluricelulares que poseen paredes celulares compuestas fundamentalmente por celulosa. Casi todas son capaces de realizar la fotosíntesis, presentan una forma adulta que produce esporas y otra forma adulta que produce ovocélulas y espermatozoides, y poseen un embrión pluricelular que se encuentra protegido dentro de la planta madre. El conjunto de estas características ayuda a distinguir a las plantas de los animales, hongos, algas y bacterias. Los musgos se encuentran entre las plantas más simples (pág. 14) Los Briófitos, que comprenden los musgos y otras pequeñas plantas sin flores afines, se encontraban entre los primeras plantas terrestres. Los helechos y otras plantas del mismo grupo son ejemplos de plantas vasculares sin semillas (págs. 14-15) La mayoría de las plantas son plantas vasculares que constan de tejido vascular, formado por tubos celulares que transportan el agua y los nutrientes. Los helechos son las plantas vasculares sin semillas más comunes.

◆

El mundo de las plantas

23

Los pinos y otras Coníferas son ejemplos de plantas sin flores con semillas (págs. 15-16) La mayoría de las plantas vasculares posee semillas, estructuras que engloban un embrión y una reserva de alimentos. Las Gimnospermas son plantas con semillas sin flores, como los pinos. La palabra Gimnosperma quiere decir «semilla desnuda», pero únicamente porque éstas no se encuentran protegidas por completo dentro de una capa protectora. La mayoría de las plantas son plantas con flores y semillas, las cuales se encuentran protegidas por frutos (pág. 17) Las plantas con flores y semillas, conocidas como Angiospermas, son el tipo de planta más común. Las Angiospermas se adaptan mejor a muchos medios gracias a su rápido sistema de transporte de agua y porque las semillas se encuentran protegidas dentro de los frutos. Hay cuatro niveles de desarrollo evolutivo principales en los vegetales: el establecimiento de los vegetales en el medio terrestre, el origen del tejido vascular, el origen de las semillas y el origen de las flores y frutos.

La Botánica y el método científico Al igual que el resto de científicos, los botánicos también comprueban las hipótesis (págs. 17-21) El conocimiento científico parte de la observación directa y de la experimentación para comprobar las hipótesis. El proceso comprende: (1) observación y recopilación de datos, (2) formulación de preguntas críticas, (3) enunciación de hipótesis, (4) comprobación de la hipótesis y (5) aceptación, modificación o rechazo de la hipótesis. Una hipótesis bien fundamentada puede probarse a mayor escala y convertirse en una teoría, como la teoría de la evolución. La Botánica comprende muchos campos de estudio (pág. 21) Los botánicos estudian numerosos aspectos de los vegetales, como la evolución, funciones, estructura, ciclos vitales y reproducción, Ecología y Genética. Los botánicos trabajan en áreas como la docencia, administración de bosques y parques, Ecología, Ingeniería Genética, industria farmacéutica, agricultura, paisajismo y horticultura. Los botánicos estudian, además, las algas, los hongos y los microorganismos causantes de enfermedades (págs. 21-22) El estudio de las algas y otros organismos fotosintéticos ayuda a los botánicos a saber más acerca de la fotosíntesis. Éstos estudian cómo favorecen o perjudican los hongos a plantas y humanos, y cómo los microorganismos y los virus provocan enfermedades en ambos.

Cuestiones de repaso 1. ¿Cómo posibilita la fotosíntesis la vida en la Tierra? 2. ¿En qué sentido la agricultura representa una base para la civilización humana?

01_Capítulo

22/11/05

24

16:39

Página 24

CAPÍTULO 1

◆

El mundo de las plantas

3. Cita algunos ejemplos sobre el uso de los vegetales en la Medicina. 4. Explica por qué los vegetales son, directa o indirectamente, fuente de la mayor parte de la energía del mundo. 5. ¿De qué se compone la madera? ¿Cuáles son algunos de los usos más comunes de la madera y de sus derivados? 6. ¿De qué forma está relacionada la Biología de la Conservación con los vegetales? 7. ¿Son Biotecnología Vegetal e Ingeniería Genética sinónimos? Explícalo. 8. ¿Por qué algunos botánicos desarrollan cultivos MG? ¿Cuáles son algunos de los problemas potenciales que presentan los cultivos MG? 9. ¿Cuáles son las cinco características más utilizadas para definir una planta? 10. ¿Cuáles son los principales cambios evolutivos en el desarrollo vegetal? 11. Describe brevemente cada uno de estos cuatro tipos principales de plantas: Briófitos, plantas vasculares sin semillas, Gimnospermas y Angiospermas. 12. ¿Cuál es la base del conocimiento científico? 13. ¿Cuál es la función del razonamiento inductivo en el método científico? 14. Nombra algunos subcampos dentro de la Botánica.

Cuestiones para reflexionar y debatir 1. ¿Por qué crees que muchas personas no reparan en lo importante que es la existencia de los vegetales? ¿Qué les dirías? 2. Explica qué quiere decir la afirmación: «Los vegetales no nos necesitan, pero nosotros sí a ellos». 3. ¿En qué sentido dirías que los vegetales también nos necesitan? 4. Elige uno de los vegetales MG mencionados en el capítulo y argumenta los posibles beneficios y problemas que deberían tenerse en cuenta para decidir si utilizarlo o no, y de qué manera. 5. Algunas personas insisten en que todos los alimentos deberían etiquetarse para saber si contienen ingredientes modificados genéticamente. ¿Estás de acuerdo? Explica por qué. 6. ¿Por qué una hipótesis debe ser potencialmente falseable? 7. La afirmación: «Un soltero es un hombre no casado», ¿es una hipótesis? Explica por qué. 8. Repasa los «pasos» del método científico. ¿Por qué crees que los científicos no siempre siguen estrictamente su orden? Señala algunos ejemplos. 9. Formula una pregunta sobre los vegetales y expón un enfoque científico que responda a la misma. Por ejemplo, una

pregunta podría ser: «¿Cómo puede influir la poda de una rama en el crecimiento de un árbol?». 10. ¿De qué manera refleja la afirmación: «La evolución es sólo una teoría» un mal entendimiento del significado científico del término teoría? 11. Esboza una cadena alimenticia para un medio acuático que comience con un productor primario y que cuente con un mínimo de cuatro niveles de consumidores. Observa la Figura 1.1 como ejemplo.

Conexión evolutiva Consideremos los siguientes tipos de plantas: musgos, helechos, Coníferas y plantas con flores. Comenzando por los helechos y continuando por las Coníferas y las plantas con flores, enumera las características diagnósticas de cada grupo que son ajenas al siguiente. ¿Cuáles de estas características representan las tendencias evolutivas del reino vegetal? Explica por qué.

Para saber más Bacon, Francis, y Peter Ubach. Novum Organum: With Other Parts of the Great Instauration. Chicago, Open Cour, 1994. Una nueva edición didáctica del gran trabajo de 1620 de Bacon, en el que argumenta que los científicos necesitan realizar observaciones minuciosas en lugar de encomendarse a la tradición. Desowitz, Robert S. The Malaria Capers: More Tales of Parasites and People, Research and Reality. Nueva York: W. W. Norton, 1993. Pese a la existencia de la quinina, la malaria sigue siendo responsable de la muerte de al menos un millón de personas al año, niños en su mayoría. Este libro incluye numerosas historias de personas que padecieron malaria y lucharon contra ella. Desowitz, Robert S. Who Gave Pinta to the Santa María?: Torrid Diseases in a Temperate World. San Diego: Harcourt Brace, 1998. Un libro cautivador acerca de las enfermedades tropicales, en especial la malaria, utilizando como base la historia de América. Hobhouse, Henry. Seeds of Change. Six Plants That Transformed Mankind. Nueva York; Harper and Row, 1999. Contiene detalles e historias fascinantes sobre cómo han influido los vegetales en la historia y en los acontecimientos humanos. Simpson, B. B., y M. Conner-Ogorzaly. Economic Botany: Plants in Our World, 2nd Edition. Nueva York: McGraw-Hill, 1995. Aporta numerosos ejemplos de vegetales importantes para los humanos en muchos y diversos sentidos.

Capítulo 2

18/11/05

16:39

Página 25

UNIDAD UNO

Estructura de las plantas

Portadillas

25/11/05

10:50

Página I

Capítulo 2

18/11/05

16:39

Página 27

2 Estructura de las células y ciclo celular

Este alga de agua dulce común (Spyrogyra) crece hasta formar largas hebras de células.

Introducción a las células Los microscopios nos descubren el mundo celular La célula es la base de la estructura y reproducción de un organismo Todas las células son procariotas o eucariotas Las células producen ácidos nucleicos, proteínas, carbohidratos y lípidos

Principales orgánulos de la célula vegetal El núcleo proporciona «anteproyectos» de ADN para la fabricación de proteínas Los ribosomas fabrican proteínas El retículo endoplásmico es el lugar donde se produce más síntesis de proteínas y lípidos El aparato de Golgi completa y transporta los productos celulares Los cloroplastos de las células vegetales verdes convierten la energía solar en energía química almacenada

Las mitocondrias convierten la energía almacenada en energía para la célula

Membranas y paredes celulares

Los microcuerpos participan en las reacciones químicas

Las membranas son barreras protectoras presentes alrededor de la célula y en su interior

Las vacuolas desempeñan diversas funciones en el metabolismo celular y en la determinación de la forma de la célula

La pared celular protege la célula vegetal y define su forma

El citoesqueleto: control de la forma y movimiento de las células Los microtúbulos desempeñan un importante papel en los movimientos celulares Los microfilamentos ayudan a las células vivas a cambiar de forma Las proteínas motoras o «motores moleculares» generan el movimiento Los filamentos intermedios ayudan a determinar la estructura permanente de la célula

Los plasmodesmos son canales que conectan las células vegetales

El ciclo celular y la división celular El ciclo celular describe las fases de la vida de una célula La mitosis y la división celular participan en el crecimiento y la reproducción La mitosis da origen a dos núcleos hijos, que contienen el mismo número de cromosomas que la célula original Las células nuevas se suelen especializar

Capítulo 2

18/11/05

28

16:39

Página 28

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

ntes del siglo XVII, nadie sabía que los organismos de gran tamaño estaban formados de numerosas y pequeñas unidades vivas denominadas células. Las células son estructuras invisibles al ojo humano, pues su tamaño es microscópico. Suelen tener un diámetro de entre 1 y 300 micrómetros (µm). Un micrómetro es la millonésima parte de un metro. Para hacernos una idea, un diámetro de 300 µm equivaldría tan sólo a una tercera parte de un milímetro, o a veinticinco centésimas de un centímetro. Por ello, la aparición de los primeros microscopios a finales del siglo XVI abrió las puertas de una nueva era para la ciencia. El científico inglés Robert Hooke (1635-1703) fue la primera persona en ver una célula (véase el cuadro Las plantas y las personas en la página 30). En 1665, observó células vegetales en un trozo de corteza de roble, utilizando para ello un microscopio compuesto por un objetivo de varias lentes que él mismo había diseñado y construido. Ese mismo año publicó Micrographia, obra en la que incluía las ilustraciones de sus descubrimientos microscópicos. Hooke usó el término célula para referirse a esos diminutos compartimentos presentes en la corteza del roble porque le recordaban a las celdas en las que habitaban los monjes. La palabra célula proviene del término latino cella, que significa «habitación pequeña». Con el transcurso de los años, los nuevos descubrimientos celulares han atraído por igual la atención de la comunidad científica y no científica. Y es que observar las células es un espectáculo emocionante y maravilloso. En este capítulo, analizaremos el mundo de las células y comprobaremos por qué constituyen la base de la vida de un organismo, cómo se organizan y de qué manera se dividen para crecer y reproducirse.

A

Ilustración de Robert Hooke donde se aprecian las células de corcho vistas a través de su microscopio.

Corcho visto a través de un microscopio óptico moderno.

Capítulo 2

18/11/05

16:39

Página 29

CAPÍTULO 2

Introducción a las células Todo organismo vivo está compuesto por una o más células. La mayoría de las células son microscópicas, y por tanto invisibles, o casi, al ojo humano. ¿Por qué las células son tan pequeñas? La razón está en la proporción entre la superficie y el volumen de la célula. A medida que una célula crece, su radio (r), volumen y área de superficie aumentan. Sin embargo, el volumen (r3) crece más que su superficie (r2), y esta proporción se mantiene, independientemente de la forma de la célula. Una célula debe ser relativamente pequeña para que su superficie, que controla la entrada de oxígeno, agua y nutrientes, pueda cubrir sus necesidades internas. Si una célula crece demasiado, su material genético no podría proporcionar información lo suficientemente rápido como para cubrir sus necesidades. Aunque de tamaño pequeño, las células no son simples en absoluto, ya que llevan a cabo un amplio abanico de funciones que sustenta la vida de los organismos. Para llegar a comprender el mundo vegetal, o cualquier otro, es necesario analizar primero la estructura y la función de las células.

Los microscopios nos descubren el mundo celular Los microscopios son las ventanas a través de las cuales observamos las células. Si bien su poder de aumento ha mejorado considerablemente con el paso de los años, el

(a) Micrografía óptica de unas células con cloroplastos

Figura 2.1.

◆

Estructura de las células y ciclo celular

29

principio básico continúa siendo el mismo. Un microscopio óptico utiliza lentes de vidrio para desviar la trayectoria de la luz visible, creando así una imagen aumentada (Figura 2.1a). Un microscopio óptico moderno puede llegar a tener una resolución de 200 nanómetros (nm), o lo que es lo mismo, puede aumentar hasta 1.000 veces la imagen captada por el ojo humano. La llegada en 1939 del microscopio electrónico, que enfoca los electrones con una lente magnética, trajo consigo todo un mundo de descubrimientos celulares. El microscopio electrónico de transmisión (MET) nos revela la estructura interior de la célula haciendo que los electrones atraviesen una sección muy fina de tejido (Figura 2.1b). Un MET puede aumentar el tamaño de un objeto hasta 100.000 veces, lo que brinda a los científicos la posibilidad de observar estructuras celulares de hasta 2 nm, representando una gran ventaja frente al microscopio óptico. Otro modelo de microscopio electrónico es el llamado microscopio electrónico de barrido (MEB), que dispara electrones hacia un espécimen para revelar la estructura de su superficie, generando normalmente una vista 3D muy detallada (Figura 2.1c). Un MEB alcanza aumentos de hasta 20.000 veces, lo que facilita minuciosas vistas de células, grupos celulares y pequeños organismos, o partes de ellos. Por lo general, el microscopio óptico y el microscopio electrónico de barrido son los más útiles a la hora de observar estructuras que están fuera del alcance del ojo humano. El microscopio electrónico de transmisión es el

(b) Micrografía electrónica de transmisión de unas células con cloroplastos

(c) Micrografía electrónica de barrido del polen

Tipos de micrografías y microscopios básicos.

(a) Esta micrografía se obtuvo con un microscopio óptico moderno, en el cual una lente aumenta primero la imagen, que otra lente ocular aumenta de nuevo y luego invierte. (b) Esta micrografía se obtuvo con un microscopio electrónico de transmisión, cuyo diseño básico es el mismo que el del óptico, salvo que las lentes de vidrio se sustituyen por lentes magnéticas. (c) Esta micrografía se obtuvo con un microscopio electrónico de barrido, que dispara electrones a la superficie del objeto. Un ordenador analiza las trayectorias de los electrones y produce la imagen.

Capítulo 2

18/11/05

30

16:39

Página 30

UNIDAD UNO

LAS

◆

Estructura de las plantas

PLANTA S

Y

L A S

P E R SO NA S

Pioneros del microscopio obert Hooke fue un virtuoso de la ciencia, que realizó descubrimientos en campos tan diversos como la Biología, la Física o la Astronomía. Según su biografía de 1705, Hooke era «un genio activo, inquieto e infatigable, que siempre durmió poco hasta el día de su muerte, acostándose muy a menudo a las dos, las tres o incluso las cuatro de la mañana». Hooke estableció una relación con un científico aficionado holandés llamado Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723), que fabricó cientos de diminutos microscopios de pocos centímetros de altura con una sola lente. Hoy en día, parecerían más violines en miniatura que microscopios, pero en su tiempo proporcionaron aumentos de hasta 500 veces con una distorsión mínima. Estos microscopios diferían sobremanera de los instrumentos empleados por aquel entonces, que consistían en tubos de aproximadamente un metro de altura. Dichos tubos contenían dos o más lentes con diferentes formas fabricadas a partir de vidrio soplado, que después se lanzaba intencionadamente al suelo con la esperanza de conseguir fragmentos que presentaran las propiedades ópticas de las lentes. En efecto, estas lentes sí aumentaban, pero también distorsionaban la imagen, y la adición de una segunda lente no hacía más que

R

incrementar la distorsión. En contrapartida, van Leeuwenhoek se convirtió en una relevante figura de la Microscopía, esto es, el uso de los microscopios, al ser la primera persona en fabricar microscopios de gran aumento con una sola lente que no distorsionaban el objeto observado. Van Leeuwenhoek encontraba microbios allá donde miraba. Sostenía que «hay más animales viviendo en la capa de suciedad que cubre los dientes de un hombre que personas en un reino». En noviembre de 1677, Hooke confirmó la sorprendente aserción de van Leeuwenhoek de que en las gotas de agua estancada existía diminuta vida animal. A van Leeuwenhoek no le sorprendió el hecho de que hubiese personas que dudasen de la veracidad de sus observaciones. En una ocasión, escribió: «No me extraña en absoluto ya que es muy difícil comprender tales cosas si no llegan a verse». En su exposición, Hooke escribió que los animales estaban «perfectamente formados» con «unos curiosos órganos de locomoción que les permitían moverse con gran habilidad, girarse, quedarse quietos, acelerar y retrasar la marcha a su antojo». Las contribuciones a la Microscopía de van Leeuwenhoek y Hooke inauguraron una nueva etapa en la ciencia.

Microscopios de Antonie van Leeuwenhoek (izqda.) y Robert Hooke (dcha.). He aquí una réplica de un microscopio de una sola lente, de hasta 500 aumentos, fabricado por van Leeuwenhoek, y que resulta más parecido a un diminuto violín. Los microscopios de Robert Hooke, fabricados por el londinense Christopher Cock, eran grandes estructuras tubulares cuya iluminación provenía de una lámpara de aceite.

Página 31

CAPÍTULO 2

más adecuado para obtener imágenes de gran aumento de una estructura celular. En este libro aparecen las escalas al lado de cada imagen microscópica o micrografía como referencia del tamaño. La leyenda de la fotografía indicará si la imagen es de una micrografía óptica (MO), una micrografía electrónica de transmisión (MET) o una micrografía electrónica de barrido (MEB), y si se ha resaltado con colores. En la Figura 2.2 se aprecian los diferentes tipos de objetos que se pueden observar con cada modalidad de microscopio.

La célula es la base de la estructura y reproducción de un organismo Durante los siglos XVII y XVIII, cuando los científicos utilizaban el microscopio óptico para observar los organismos con detalle, las nociones sobre las células seguían progresando. No obstante, hubo que esperar hasta mediados del siglo XIX para que surgiese una teoría sobre la naturaleza y el significado de las células. En 1838, el botánico alemán Matthias Schleiden concluyó que los estudios microscópicos de la estructura vegetal confirmaban que todas las partes de los vegetales están compuestas por células. Es más, las paredes celulares de las células vegetales hacían fácilmente visibles las fronteras entre las mismas, incluso a través de sencillos microscopios ópticos. Por el contrario, las células animales, que no poseen paredes celulares, no podían distinguirse con tanta facilidad. Sin embargo, en 1839, el biólogo alemán Theodor Schwann confirmó también la constitución celular de los animales. En 1855, otro botánico alemán, Rudolf Virchow, dio un paso más allá al afirmar que las células sólo podían originarse a partir de otras células ya existentes. El conjunto de estas observaciones se conoce como teoría celular, que puede resumirse en tres grandes puntos: 1. Todos los organismos están compuestos de una o más células. 2. La célula es la unidad básica en la estructura de todo organismo. 3. Todas las células se originan a partir de células ya existentes. En definitiva, la teoría celular afirma que la célula es la base de la estructura y reproducción de un organismo. ¿No es increíble pensar en las consecuencias que se desprenden de una teoría tan simple? Las células microscópicas crean organismos que abarcan desde algas unicelulares hasta gigantescas secuoyas. A través del proceso de división celular, una única célula puede convertirse en un

◆

Estructura de las células y ciclo celular

31

1 km

100 m

Secuoya Ballena azul

10 m Ser humano

1m

Ojo humano

16:39

0,1 m Reinita encapuchada 100 cm Huevo de rana

100 mm

100 µm Células animales y vegetales

10 µm

Mayoría de bacterias Cloroplasto

1 µm

100 nm Virus 10 nm Proteína Lípidos 1 nm

Moléculas de pequeño tamaño

La mayoría de los diámetros celulares abarcan de 0,1 a 50 µm Microscopio óptico

18/11/05

Microscopio electrónico

Capítulo 2

Átomos

0,1 nm

Tabla de medidas 1 centímetro (cm) = 10–2 metros (m) 1 milímetro (mm) = 10–3 metros 1 micrómetro (µm) = 10–3 mm = 10–6 m 1 nanómetro (nm) = 10–3 µm = 10–9 m

Figura 2.2.

Imágenes microscópicas.

En este diagrama se muestra la variación en el tamaño de algunas formas comunes al observarse con el ojo humano y con la ayuda de un microscopio óptico o de uno electrónico. La escala que aquí se reproduce es exponencial, es decir, cada unidad es diez veces mayor que la unidad que la precede.

Capítulo 2

18/11/05

32

16:39

Página 32

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

organismo pluricelular con billones de células. Sin duda, la teoría celular revolucionó nuestro conocimiento sobre los seres vivos.

Todas las células son procariotas o eucariotas Tal y como vimos en el Capítulo 1, todos los organismos son procariotas o eucariotas, según sean las células que los forman. Los procariotas fueron la primera forma de vida en la Tierra, pues data de hace 3.500 millones de años. Durante casi 1.400 millones de años no existió otro tipo de organismos hasta que los eucariotas evolucionaron a partir de los procariotas. Las células eucariotas son más complejas y suelen ser de mayor tamaño que las procariotas. Al contrario que en estas últimas, el ADN de una célula eucariota está contenido en un núcleo cerrado. Los términos procariota (del latín, «antes del núcleo») y eucariota (del latín, «núcleo verdadero») son un reflejo de este cambio evolutivo. Es más, una célula eucariota común contiene al menos 1.000 veces más ADN que una célula procariota común. El ADN de una célula procariota se agrupa en un cromosoma circular, mientras que el ADN de una célula eucariota lo hace en uno o más cromosomas lineales. Una célula eucariota suele ser de mayor tamaño, pues su diámetro varía entre 5 y 300 µm. En cambio, el diámetro de una célula procariota común oscila entre 1 y 10 µm (Figura 2.3). Para alcanzar un milímetro de longitud se necesitarían 1.000 células procariotas de las más pequeñas colocadas una tras otra. La mayoría de los organismos procariotas son organismos unicelulares llamados bacterias. EvidenteBacilo

mente, en una bacteria o en un organismo eucariota unicelular, la célula en sí es el organismo. Los eucariotas, por su parte, son organismos fundamentalmente pluricelulares. Una de las diferencias básicas entre una célula procariota y una eucariota radica en la manera de llevar a cabo las múltiples funciones que una célula debe desarrollar para sustentar la vida. Todas las células están rodeadas de una capa flexible y protectora que recibe el nombre de membrana plasmática o membrana celular (membrana, en latín, significa «piel»), también conocida como plasmalema, que proviene del término griego lemma, que quiere decir «cáscara». La membrana plasmática controla la entrada y salida de agua, gases y moléculas en la célula. En las células procariotas, esta membrana o sus extensiones son responsables de las funciones básicas. Por el contrario, en las células eucariotas, estos procesos los realizan los orgánulos («órganos pequeños»), unas estructuras celulares independientes que casi siempre poseen una o más membranas propias. ¿Cómo surgieron los orgánulos tras la evolución de las células eucariotas a partir de las procariotas? Durante la década de 1970, una científica norteamericana llamada Lynn Margulis recuperó la llamada teoría endosimbiótica. Esta teoría, que apareció por primera vez de la mano de un científico ruso a principios del siglo XX, afirma que los ancestros de algunos orgánulos evolucionaron como resultado de la ingestión de células procariotas entre sí. Parece que hace unos dos mil millones de años, algunas de estas ingestiones continuaban produciéndose, pues ayudaban a ambas células a sobrevivir (Figura 2.4). Por 5 µm

Chlamydomonas

2 µm

Célula vegetal 7.5 µm Procariota

Figura 2.3.

20 µm

Anabaena Eucariota

Comparación entre una célula eucariota y una procariota.

Aunque pueden tener el mismo tamaño, normalmente las células eucariotas son más grandes.

Capítulo 2

18/11/05

16:39

Página 33

CAPÍTULO 2

Figura 2.4.

Endosimbiosis.

Probablemente, la doble membrana de orgánulos, como las mitocondrias y cloroplastos, se originara cuando, siendo células procariotas, invadieron otras células. Recientes investigaciones demuestran que el núcleo también se originó por endosimbiosis.

ejemplo, si una bacteria que producía energía de forma rápida y eficaz era ingerida por una célula que se reproducía rápida y eficazmente mediante división celular, la combinación resultaría muy beneficiosa para ambas. El término endosimbiosis significa literalmente «vida conjunta en el interior». La teoría endosimbiótica explica por qué algunos de los orgánulos que más tarde analizaremos, como las mitocondrias y los cloroplastos, poseen dos membranas, un rasgo que siempre ha llamado la atención a los científicos. La membrana interna podría ser la membrana original de la bacteria que fue ingerida, y la membrana externa sería entonces la formada por la bacteria receptora durante la ingestión. Asimismo, esta teoría aclara por qué algunos orgánulos contienen cromosomas similares a las espirales de ADN de las bacterias, en contraste con el ADN lineal del núcleo.

Las células producen ácidos nucleicos, proteínas, carbohidratos y lípidos A pesar de las diferencias de tamaño y estructura entre las células eucariotas y procariotas, ambas guardan similitudes en su metabolismo básico, esto es, en las reacciones químicas. Estos dos tipos de células producen cuatro tipos principales de macromoléculas (moléculas de gran tamaño formadas a partir de moléculas más pequeñas), que los organismos necesitan para sobrevivir: ácidos nucleicos, proteínas, carbohidratos y lípidos. Sin embargo, sólo las células de los organismos autótrofos («que se ali-

◆

Estructura de las células y ciclo celular

33

mentan por sí mismos»), como las plantas y otros organismos fotosintéticos, pueden sintetizar estas macromoléculas sin utilizar nutrientes procedentes de otros organismos. Las células de los heterótrofos, como los animales y hongos, deben tomar los ingredientes directa o indirectamente de las plantas. En el Capítulo 7 se analizarán las reacciones químicas de las células con mayor detalle. Ahora sólo introduciremos brevemente las estructuras y las funciones de los ácidos nucleicos, las proteínas, los carbohidratos y los lípidos. Los ácidos nucleicos contienen la información genética de la célula. Como ya vimos en el Capítulo 1, el ADN (ácido desoxirribonucleico) almacena secuencias de información genética conocidas como genes. El otro tipo de ácido nucleico es el ARN (ácido ribonucleico) que se transcribe a partir del ADN para ser utilizado en las funciones de dirección en el interior de la célula. En el Capítulo 13 veremos cómo se almacena y se utiliza la información genética. La información genética en forma de ARN regula la síntesis de proteínas, que están formadas por cadenas de aminoácidos. Existen 20 tipos de aminoácidos, que pueden utilizarse para fabricar infinitas proteínas. Por ejemplo, el cuerpo humano cuenta con decenas de miles de proteínas diferentes, y cada una contiene una secuencia de aminoácidos única. Algunas proteínas son bloques de construcción estructural, mientras que otras llamadas enzimas ayudan a regular las reacciones químicas. Las proteínas también almacenan aminoácidos, responden a estímulos químicos, transportan sustancias, proporcionan protección frente a enfermedades y desarrollan otras funciones diversas. Las proteínas de un organismo también definen sus características físicas. Teniendo en cuenta la importancia de las funciones de estas macromoléculas, no es de extrañar que el término griego del que procede la palabra proteína (proteios) signifique «en primer lugar». Los carbohidratos, tales como el azúcar y el almidón, son macromoléculas compuestas por carbono, hidrógeno y oxígeno. Los carbohidratos proporcionan y almacenan energía, y sirven como bloques de construcción para moléculas de mayor tamaño, como la celulosa en una pared celular vegetal. Los lípidos son macromoléculas, como las grasas, insolubles en agua. No en vano, la palabra lípido proviene del término latino lipos, que significa «grasa». En líneas generales, las grasas almacenan energía, pero en algunos casos, como es el de los fosfolípidos, sirven como bloques de construcción para las membranas.

Capítulo 2

18/11/05

34

16:39

Página 34

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

Repaso de la sección 1. ¿Cuáles son los principales tipos de microscopios y en qué se diferencian? 2. ¿En qué se diferencia una célula eucariota de una procariota? 3. Describe las funciones básicas de los ácidos nucleicos, las proteínas, los carbohidratos y los lípidos.

Principales orgánulos de la célula vegetal

El núcleo proporciona «anteproyectos» de ADN para la fabricación de proteínas

La mayoría de orgánulos que encontramos en una típica célula vegetal también se encuentran en las células de otros organismos eucariotas, a excepción de los cloroplastos y de una gran vacuola central, que no abundan en otros organismos fotosintéticos, hongos y animales. El interior de una célula vegetal, es decir, toda la célula excepto la pared celular, recibe el nombre de protoplasto. Éste consiste en el núcleo y el citoplasma, el cual está forRetículo endoplásmico liso

mado por todas las partes de la membrana plasmática, salvo el núcleo (cito hace referencia a la célula, y plasma al «material formado»). Para hacerse una idea de los orgánulos de una célula y de sus funciones, podríamos comparar el interior de la célula con una fábrica en miniatura, donde el núcleo es el supervisor que dirige el trabajo que se lleva a cabo en el citoplasma. La Figura 2.5 ofrece una visión general de una célula vegetal.

En una célula vegetal, al igual que en otras células eucariotas, el ADN se organiza dentro del núcleo en estructuras muy complejas, con forma de hilo, denominadas cromosomas. Cada cromosoma contiene varios genes, y cada gen es el «anteproyecto» para la fabricación de una proteína determinada. Reciben el nombre de cromosomas (del griego croma, «color», y soma, «cuerpo») porque se pueden teñir para ser observados con mayor facilidad, a través de un microscopio óptico, cuando se acortan y se Vacuola

Cloroplasto

Nucleolo

Peroxisoma

Laminilla media o capa intercelular Espacio de aire

Envoltura nuclear

Ribosoma libre

Núcleo

Mitocondria Plasmodesmos

Retículo endoplásmico rugoso

Paredes celulares de células adyacentes

Ribosoma Laminilla media o capa intercelular Pared celular

Aparato de Golgi Membrana plasmática

Figura 2.5.

Estructura de una célula vegetal típica.

He aquí una vista general de una célula vegetal, donde pueden apreciarse sus rasgos eucariotas característicos.

Capítulo 2

18/11/05

16:40

Página 35

CAPÍTULO 2

◆

Estructura de las células y ciclo celular

35

El núcleo está rodeado de membranas, que en conjunto forman la llamada envoltura nuclear (Figura 2.6). Los poros de esta envoltura nuclear controlan la entrada y salida de sustancias del núcleo. Durante muchos años, los científicos han discutido sobre el origen del núcleo. Recientemente, algunos científicos que estudian la estructura del ADN han propuesto que el núcleo surgió por la endosimbiosis de dos tipos diferentes de células procariotas. Aunque todavía faltan detalles por determinar, parece ser que dos tipos de bacteria invadieron otra célula y el mate-

ensanchan antes del proceso de división celular. Algunas proteínas relacionadas con el ADN cromosómico son las que determinan si en una célula concreta están activos o no ciertos genes. En el núcleo también se encuentran los nucleolos, de forma circular y que están asociados a los cromosomas. Un núcleo contiene normalmente uno o dos nucleolos, que sintetizan las subunidades que luego se unen en el citoplasma para dar lugar a los ribosomas. Más tarde, describiremos la función de éstos.

Membrana interna

El núcleo contiene ADN y proteínas asociadas. Está rodeado por una envoltura nuclear que lo separa del citoplasma

Membrana externa Poro

El retículo endoplásmico (RE) es una extensión de la membrana externa de la envoltura nuclear. Tiene dos componentes: el RE rugoso y el RE liso. El RE es una fábrica que produce proteínas y lípidos para exportarlos o para las membranas celulares.

La envoltura nuclear Núcleo

Lumen del RE RE rugoso Cisternas

Vesícula de transporte del RE rugoso

en realidad está formada por dos membranas independientes. Los poros, rodeados de anillos de proteína regulan el paso hacia dentro y fuera del núcleo de grandes moléculas.

Ribosomas

RE liso Lumen del aparato de Golgi Membrana plasmática Vesícula de transporte del aparato de Golgi

Figura 2.6.

El aparato de Golgi Cisternas

modifica proteínas y otros compuestos que recibe del RE para utilizarlos dentro y fuera de la célula.

Núcleo, retículo endoplásmico y aparato de Golgi.

Tal y como se puede observar en esta vista de sección, el núcleo está conectado con el retículo endoplásmico (RE), y el RE liso es una continuación de RE rugoso. Los «anteproyectos» genéticos de la célula se encuentran en el ADN del núcleo. Los ribosomas del RE rugoso utilizan la información genética transcrita en el ARN mensajero para dirigir la síntesis de proteínas. Las vesículas de transporte transfieren entonces las proteínas, lípidos y otros productos (puntos verdes) desde el RE hasta el aparato de Golgi, donde se clasifican y se transportan. A diferencia de las cisternas del RE, las cisternas de Golgi no están conectadas. Las vesículas de transporte desplazan productos de una cisterna de Golgi a la siguiente y, finalmente, a la membrana plasmática si los productos van a exportarse al exterior de la célula. Los cambios en el color y tamaño de los puntos indican que el aparato de Golgi modifica los productos.

Capítulo 2

18/11/05

36

16:40

Página 36

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

rial genético se combinó formando un núcleo. Al igual que en cualquier proceso endosimbiótico, la membrana nuclear interna es producto de la célula ingerida, mientras que la membrana nuclear externa se corresponde probablemente con la membrana plasmática de la célula receptora.

Los ribosomas fabrican proteínas Los ribosomas son orgánulos formados en el citoplasma, que dirigen la síntesis de proteínas según las instrucciones genéticas que reciben en forma de ARN mensajero (ácido ribonucleico, de ahí el nombre ribosoma). Algunos científicos prefieren no llamar orgánulos a los ribosomas, pues éstos son mucho más pequeños que aquéllos, carecen de membranas y también están presentes en las células procariotas. Sin embargo, los ribosomas de las células eucariotas son tremendamente diferentes a los de las procariotas, ya que son de mayor tamaño y contienen varios tipos de ARN. En el Capítulo 13 veremos cómo los ribosomas fabrican las proteínas.

El retículo endoplasmático es el lugar donde se produce más síntesis de proteínas y lípidos El citoplasma se encuentra totalmente surcado por una red de membranas conectadas entre sí que reciben el nombre de retículo endoplasmático (RE) (véase Figura 2.6). Aunque a primera vista el nombre resulta engorroso, reticulum en latín significa «pequeña red», y endoplásmico simplemente hace referencia al sitio que ocupa el orgánulo («dentro del plasma»). El RE, que se forma a partir de la envoltura nuclear externa y es una extensión de la misma, es el lugar donde se produce la síntesis de proteínas, lípidos y otras moléculas, que ya se exportan desde la célula, o bien se utilizan para fabricar las membranas celulares. Las células que producen sustancias para exportarlas después a otras células poseen mayor cantidad de RE que aquéllas que no las exportan. El RE está dividido en dos partes: el retículo endoplásmico liso y el retículo endoplásmico rugoso. Estos nombres se deben a la apariencia que presentan bajo el microscopio. El RE liso, que normalmente tiene forma tubular, fabrica lípidos y modifica la estructura de algunos carbohidratos. La superficie del RE rugoso está salpicada por ribosomas sintetizadores de proteínas, que le otorgan esa apariencia rugosa. Dicha superficie suele estar formada por unos sacos planos, conectados entre sí,

llamados cisternas. El espacio que queda entre las cisternas y los túbulos del RE recibe el nombre de lumen.

El aparato de Golgi completa y transporta los productos celulares Los lípidos, proteínas y otras sustancias que se producen en el RE se encuentran envueltos por unas estructuras rodeadas de membranas llamadas vesículas de transporte. Estas vesículas se separan del RE y se desplazan hacia el aparato de Golgi, también conocido como complejo de Golgi (llamado así por su descubridor, el científico italiano Camillo Golgi). El aparato de Golgi está formado por varios sacos independientes de cisternas, denominados cuerpos de Golgi, que tienen su origen en las membranas que se producen en el RE (véase Figura 2.6). El aparato de Golgi de una célula puede tener entre varios y cientos de estos cuerpos. Al contrario que las cisternas del RE, las cisternas del cuerpo de Golgi no están conectadas entre sí. La cara del cuerpo de Golgi más cercana al RE (cis) recibe de éste las vesículas de transporte. Las nuevas vesículas de transporte se forman en la cara del cuerpo de Golgi más alejada del RE (trans). Estas vesículas de transporte se desplazan hasta la membrana celular, fusionándose con ella y liberando su contenido hacia el exterior de la célula, hacia la estructura de la membrana celular o hacia otros lugares. En las células vegetales, los cuerpos de Golgi también reciben el nombre de dictiosomas, término que proviene del griego diktyon («arrojar»), y que refleja su función de transportar productos. Podemos imaginarnos los cuerpos del aparato de Golgi recibiendo productos elaborados y almacenándolos, modificándolos, envolviéndolos y transportándolos al exterior de la célula o hacia otros lugares de las membranas. El tipo de productos que el aparato de Golgi recibe y libera depende del tipo de célula. Por ejemplo, en algunas células los productos pueden ser compuestos de la pared celular, mientras que en otras pueden ser proteínas.

Los cloroplastos de las células vegetales verdes convierten la energía solar en energía química almacenada Los orgánulos denominados cloroplastos, que contienen pigmentos verdes de clorofila, son el lugar donde se produce la fotosíntesis en una célula vegetal (Figura 2.7). La palabra en sí proviene del griego chloros, que significa «amarillo verdoso». No obstante, la fotosíntesis no se pro-

Capítulo 2

18/11/05

16:40

Página 37

CAPÍTULO 2

duce en todas las células vegetales. Los cloroplastos se localizan en las células de las partes verdes de un vegetal, como por ejemplo tallos verdes y sobre todo en las hojas. Los cloroplastos miden aproximadamente 5 µm de diámetro y pueden ser esféricos o alargados. Algunas células fotosintéticas tienen un solo cloroplasto, mientras que otras pueden tener decenas. La teoría endosimbiótica podría explicar el origen de los cloroplastos, que tienen dos membranas externas y un pequeño cromosoma circular. Las bacterias que atrapaban la energía solar podrían haberse unido eficazmente por endosimbiosis a células carentes de fotosíntesis. Millones de años más tarde, como consecuencia de dicha circunstancia, aparecieron los cloroplastos. La estructura de los cloroplastos refleja su función de atrapar energía solar. Además de las dos membranas externas, los cloroplastos cuentan con una serie de sacos internos, rodeados de membranas denominadas tilacoides. El conjunto de tilacoides recibe el nombre de grana. La parte de la fotosíntesis relacionada con la conversión de energía solar en energía química tiene lugar dentro de las membranas de los tilacoides. El fluido que rodea a las tilacoides, llamado estroma, es el sitio de producción y almacenamiento de azúcares. Los cloroplastos son un tipo de plastidio, término general que agrupa a todos los orgánulos vegetales que fabrican o almacenan nutrientes o pigmentos. Además de los cloroplastos, existen otros dos tipos principales de plastidios; los leucoplastos y los cromoplastos. Los leucoplastos (del griego leukos, que significa «blanco») son plastidios que carecen de pigmentos. En ellos se incluyen los amiloplastos, que almacenan el almidón. Los cromoplastos (del griego croma, que significa «color») contienen los pigmentos responsables del color amari- Tilacoides llo, naranja o rojo de muchas hojas, flores y frutos. Dependiendo de la exposición a la luz y de las necesidades del vegetal, cada tipo de plastidio puede transformarse en otro diferente.

◆

37

Estructura de las células y ciclo celular

Hojas

Célula vegetal

Cloroplastos

Cloroplasto

Estroma Tilacoide

Grana Membrana externa

Membrana interna

Sáculos Grana

Estroma

Las mitocondrias convierten la energía almacenada en energía para la célula Una vez los cloroplastos han convertido la energía solar en energía química almacenada, la célula vegetal necesita convertir esta energía almacenada para realizar sus actividades. Ésa es precisamente la función de los «motores» de las fábricas celulares, a saber, las mitocondrias (Figura 2.8). Una célula vegetal puede tener una o miles

1 µm

Figura 2.7.

Cloroplastos.

Los cloroplastos son los orgánulos que llevan a cabo la fotosíntesis. En las células vegetales, los pigmentos clorofílicos fotosintéticos se localizan en unas membranas llamadas tilacoides, que se encuentran apiladas como si fueran monedas. Estos conjuntos de tilacoides, llamados grana, son la única parte de la célula vegetal que es verde. El fluido que rodea a las tilacoides, denominado estroma, es el lugar donde se producen y almacenan los azúcares.

Capítulo 2

18/11/05

38

16:40

Página 38

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

Mitocondria

Membrana externa Membrana interna Cresta Matriz

100 nm

Figura 2.8.

Espacio intermembranal

Mitocondrias.

Las mitocondrias son orgánulos donde la energía en forma de azúcares se utiliza para fabricar ATP. Los organismos eucariotas producen moléculas de almacenamiento para toda la energía metabólica de las mitocondrias. Las mitocondrias tienen dos membranas una las cuales, la interna se pliega formando crestas que contienen enzimas respiratorias.

de mitocondrias, pero normalmente suelen tener alrededor de cien. La mitocondria rompe los azúcares para almacenar su energía química en forma de ATP (adenosín trifosfato), una molécula orgánica que representa la mayor fuente de energía para las células. En el Capítulo 9 analizaremos el ATP con más detalle. Casi todos los organismos eucariotas, a excepción de algunos protistas, poseen mitocondrias. Una mitocondria presenta dos membranas y un pequeño cromosoma circular, que demuestra su origen endosimbiótico. La mitocondria común es más pequeña que un cloroplasto, con unas medidas que varían entre 1 y 5 µm de longitud, y 0,5 y 1 µm de diámetro. Las mitocondrias poseen sus propios ribosomas, que producen proteínas que se utilizarán en la propia mitocondria y en otras partes de la célula. El envoltorio de una parte de la membrana interna de la mitocondria, llamado cresta, aumenta la superficie de dicha membrana interna, procurando espacio para las proteínas fundamentales que la ocupan. La cresta y la parte líquida que ésta engloba, llamada matriz, contienen el engranaje metabólico que procesa la energía de los azúcares y la convierte en ATP.

Los microcuerpos participan en las reacciones químicas Los microcuerpos son pequeños orgánulos esféricos de aproximadamente 1 µm de diámetro que contienen enzimas. En un principio se les dio ese nombre porque no se sabía con certeza cuál era su función. Más adelante, los científicos descubrieron que determinados microcuerpos generaban peróxido de hidrógeno añadiendo hidrógeno al agua y luego lo descomponían. Como el peróxido de hidrógeno es potencialmente tóxico para otras partes de la célula, el hecho de limitar estas reacciones químicas dentro de determinados orgánulos ayuda a proteger el resto de ésta. Por esta razón, dichos microcuerpos recibieron el nombre de peroxisomas («cuerpos de peróxido»), término que muchos científicos utilizan para referirse a todos los microcuerpos. Otro tipo de microcuerpo, llamado glioxisoma, contiene enzimas que ayudan a convertir las grasas almacenadas en azúcares. Estas reacciones, que no se producen en los animales, son de especial importancia en las semillas, que almacenan las grasas como reserva de nutrientes, pero que durante la germinación necesitarán azúcares. Los microcuerpos sólo tienen una membrana, cuyo origen no es endosimbiótico. En cambio, éste podría estar en las membranas del retículo endoplásmico. Los microcuerpos se reproducen, pero no contienen cromosomas ni fabrican sus propias proteínas.

Las vacuolas desempeñan diversas funciones en el metabolismo celular y en la determinación de la forma de la célula En muchas células vegetales maduras, casi el 90% del volumen lo ocupa una gran vacuola central. El término vacuola procede del latín vacuus, que significa «vacío», puesto que las vacuolas parecen vacías vistas con el microscopio (Figura 2.9). En realidad, la vacuola central está llena de agua y de productos de desecho, y desempeña varias funciones importantes, algunas en relación con el metabolismo celular. Por ejemplo, extrae las sales del citoplasma y controla los niveles de agua en la célula. También sirve como centro de desintoxicación contra las sustancias nocivas ayudando en la descomposición de grandes moléculas y en la regulación de las concentraciones de sales. Además, la vacuola puede almacenar iones tóxicos e iones que sólo son

Capítulo 2

18/11/05

16:40

Página 39

CAPÍTULO 2

Estructura de las células y ciclo celular

39

El citoesqueleto: control de la forma y movimiento de las células

Vacuola central

Tonoplasto Cloroplasto Pared celular

Núcleo 5 µm

Figura 2.9.

◆

Vacuolas.

Las vacuolas especialmente grandes, que ocupan hasta el 90% del volumen de la célula vegetal, se encuentran en células vegetales maduras. Las vacuolas sirven como depósitos de moléculas y partes vegetales no deseadas, que controlan los niveles de agua y sales en la célula y, en ocasiones, contienen pigmentos que contribuyen a la coloración roja y azul de los frutos y las flores. La membrana que rodea a la vacuola de una célula vegetal se llama tonoplasto.

necesarios en momentos determinados para ciertas reacciones químicas. Igualmente, ayuda a mantener la forma de la célula presionando el resto del citoplasma contra la pared celular. Las células animales contienen pequeñas vacuolas, pero la gran vacuola central es una característica exclusiva de las células vegetales adultas. Comienza siendo un conjunto de pequeñas vacuolas producidas por el RE con proteínas aportadas del aparato de Golgi. Estas pequeñas vacuolas se van fusionando poco a poco hasta dar lugar a una gran vacuola rodeada por una membrana denominada tonoplasto.

Repaso de la sección 1. ¿Qué papel desempeña el núcleo? 2. ¿Qué orgánulos están implicados en la síntesis de proteínas y de qué manera? 3. ¿Cuál es la función principal del aparato de Golgi? 4. ¿Por qué los cloroplastos y las mitocondrias son esenciales para el aporte de energía a la célula vegetal? 5. ¿Qué funciones desempeña la gran vacuola central?

Tal y como hemos visto en nuestro análisis sobre los orgánulos de las células vegetales, las células son entidades dinámicas. Gran parte del contenido celular está en continuo movimiento, como, por ejemplo, cuando se transportan proteínas y otras moléculas desde el RE rugoso hasta el aparato de Golgi. Una de las principales estructuras celulares, el citoesqueleto («esqueleto celular»), ayuda a mantener las actividades dinámicas, así como la forma de la célula. Durante siglos, los científicos no lograron identificar los componentes del citoesqueleto porque los métodos de observación de las células los solían destruir, y los microscopios no eran lo suficientemente potentes. Con la llegada del microscopio electrónico y el desarrollo de nuevos métodos de preparación, los científicos pudieron al fin comprender la estructura del citoesqueleto. Los tres tipos de proteínas en forma de hilo que componen el citoesqueleto son los siguientes: microtúbulos, microfilamentos y filamentos intermedios. Estas proteínas se extienden a lo largo del citosol, la parte fluida del citoplasma, y funcionan como unidades estructurales que mantienen la forma de la célula y de sus componentes. Para hacernos una idea, podríamos decir que son como vías ferroviarias que guían el movimiento de diversos componentes celulares hasta su destino, controlando a la vez la forma de la célula. Asimismo, ayudan a que muchos orgánulos se mantengan fijos en lugar de flotar libremente por el citoplasma celular.

Los microtúbulos desempeñan un importante papel en los movimientos celulares Los microtúbulos son tubos largos y huecos presentes en el citoesqueleto, que transportan componentes celulares tales como moléculas, orgánulos y cromosomas de un lugar a otro, como si de un servicio postal celular se tratase. También mueven las células y ocasionalmente organismos pluricelulares a través del agua. Los microtúbulos son unos hilos de unos 25 nm de diámetro, cuya longitud varía desde 200 hasta 150.000 nm, dependiendo de su función. Cada hilo está compuesto por proteínas esféricas o tubulinas, llamadas alfa-tubulina y beta-tubulina, que se agrupan en 13 filas en

Capítulo 2

18/11/05

40

16:40

Página 40

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

forma de hélice alrededor del centro, que está hueco. Tal y como se muestra en la Figura 2.10, la estructura de un microtúbulo es mucho menos complicada de lo que parece. Los microtúbulos individuales sirven normalmente como guías que dirigen el movimiento en el interior de la célula. En algunas células, los microtúbulos no sólo forman parte del citoesqueleto, sino que también se pueden combinar como parte de unos apéndices propulsores externos llamados cilios y flagelos. Estos dos apéndices se

componen de nueve pares de microtúbulos dispuestos en forma de círculo, con dos microtúbulos en el centro. La estructura fibrilar conocida como axonema 9 + 2 se repite en todos los organismos eucariotas. Los cilios y flagelos también siguen el mismo modelo estructural básico, salvo que los cilios son cortos y los flagelos son largos (véase Figura 2.10). Los cilios se mueven hacia detrás y hacia delante como si fueran remos, mientras que los flagelos hacen movimientos ondulantes como si fueran serpientes. Aunque tanto cilios como flagelos son más

Detalle Microtúbulos

Filamentos intermedios

Microfilamentos

25 nm 8–12 nm Proteína beta-tubulina

Proteína alfa-tubulina

7 nm Subunidad fibrosa

Molécula de actina

Complejo sintetizador

En la corriente citoplasmática o ciclosis, los microfilamentos dirigen el movimiento circular del citoplasma alrededor de la vacuola.

Microfibrillas de celulosa

Los microfilamentos controlan la forma de la célula y el movimiento en células carentes de pared celular.

Vacuola

Las paredes celulares son depositadas por un complejo sintetizador que se desplaza a lo largo de una guía microtubular.

Los filamentos intermedios forman un tejido llamado láminas nucleares, que mantiene la forma del núcleo. Aparato de Golgi

Núcleo RE

Los microtúbulos controlan el movimiento de las vesículas desde el RE hasta el aparato de Golgi, y de éste hasta la membrana celular.

Los microtúbulos controlan el movimiento del ARN y de los ribosomas en el exterior del núcleo.

Los microtúbulos controlan el movimiento de los cromosomas durante la división celular.

Los microtúbulos conforman la estructura de cilios y flagelos.

Figura 2.10.

Citoesqueleto.

En este diagrama se muestran diversos aspectos del citoesqueleto en una célula vegetal común. El citoesqueleto, compuesto por microtúbulos, microfilamentos y filamentos intermedios, regula la forma de las células carentes de pared celular, y el movimiento del contenido celular en todas las células. Los microfilamentos están formados por actina; los microtúbulos, por tubulina; y los filamentos intermedios por varias proteínas fibrosas.

Capítulo 2

18/11/05

16:40

Página 41

CAPÍTULO 2

típicos de las células protistas y animales que de las vegetales, también aparecen en algunas células vegetales reproductoras móviles, como en el espermatozoide de musgos y de helechos. Además de dirigir el movimiento de los orgánulos y de otras estructuras celulares, los microtúbulos también ayudan a mantener la forma de la célula. Por ejemplo, en una célula vegetal común, las enzimas que producen celulosa en la pared celular se mueven a lo largo de una vía de microtúbulos como si de un tren monorraíl se tratase (Figura 2.11). Todo movimiento controlado por los microtúbulos implica la presencia de «proteínas motoras», las cuales analizaremos en este mismo capítulo más adelante. Motor molecular Microtúbulos ATP

(a)

Orgánulo

ATP Motor molecular Microtúbulo (b)

(c)

Figura 2.11.

Proteínas motoras («motores moleculares»).

(a) Los motores moleculares se mueven de un microtúbulo a otro para dar origen al movimiento de los cilios o flagelos. (b) Los motores moleculares se mueven a lo largo de un microtúbulo transportando un orgánulo. (c) En presencia de una luz intensa, los motores moleculares desplazan los cloroplastos hacia la cara de la célula donde la luz es menos intensa.

◆

Estructura de las células y ciclo celular

41

Los microfilamentos ayudan a las células vivas a cambiar de forma Los microfilamentos son otro grupo de filamentos largos del citoesqueleto que mueven la célula o su contenido y ayudan a determinar la forma de la misma. Los microfilamentos están compuestos por una proteína globular llamada actina, que se agrupa en dos cadenas helicoidales enrolladas sobre un mismo eje (véase Figura 2.10). Los microfilamentos son mucho más delgados que los microtúbulos, pues su diámetro es de unos 7 nm. Muchos estudiantes de Biología conocen los microfilamentos porque son parte de la estructura de los músculos de los vertebrados. La actina provoca movimientos o cambios en la forma de la célula al asociarse con otras moléculas cercanas mediante un proceso que será descrito más adelante. En las células vegetales, las pautas de elongación y de formación de la pared celular determinan la forma de las mismas. En los vegetales, los microfilamentos también ayudan a desplazar el contenido celular alrededor de la vacuola central en un movimiento circular conocido como corriente citoplasmática o ciclosis.

Las proteínas motoras o «motores moleculares» generan el movimiento Los microtúbulos y microfilamentos generan movimiento al asociarse con diversos tipos de proteínas motoras también conocidas como «motores moleculares» (véase Figura 2.11). Dichas proteínas precisan energía en forma de ATP para cambiar de una posición a otra y volver a la original, en un movimiento que recuerda al de las piernas al caminar. En general, los microtúbulos y los microfilamentos facilitan vías para guiar a los motores moleculares hasta sus destinos señalados. Los motores moleculares se adhieren a estas estructuras para ser transportados, al igual que hace una vesícula de transporte, que utiliza una vía microtubular desde el RE hasta el aparato de Golgi. Un motor molecular también puede adherirse a dos microtúbulos y moverse de uno a otro. Numerosos movimientos celulares implican la presencia de proteínas motoras. Estos movimientos incluyen (1) las vesículas que se mueven desde el RE hasta el aparato de Golgi a lo largo de vías microtubulares; (2) los cloroplastos que se mueven desde el fondo de la célula hasta un lateral de la misma a lo largo de microtúbulos; (3) la ciclosis, en la cual la miosina se mueve a lo largo de los microfilamentos que originan la corriente citoplasmática, y (4) la síntesis de la pared celular, en la que un complejo enzimático que fa-

Capítulo 2

18/11/05

42

16:40

Página 42

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

brica microfibrillas de celulosa se mueve a lo largo de un microtúbulo. Todos los motores moleculares necesitan energía en forma de ATP para moverse. Las «piernas» de estas proteínas se mueven, se liberan, se adhieren de nuevo y vuelven a moverse utilizando la energía en forma de ATP.

Los filamentos intermedios ayudan a determinar la estructura permanente de la célula Los filamentos intermedios, el tercer componente del citoesqueleto, deben su nombre a que son más anchos que los microfilamentos, pero más estrechos que los microtúbulos, con cerca de 10 nm de diámetro (véase Figura 2.10). Diversos tipos de proteínas lineales se combinan para la formación de estos filamentos. En los animales, los filamentos intermedios producen pelo, uñas, plumas y escamas, y también se localizan en los músculos y las neuronas. Sin embargo, no se conoce demasiado su labor en las células vegetales, donde parece que están implicadas en el mantenimiento de un tipo de estructura celular interna, más rígida y permanente. Por ejemplo, suelen ayudar a mantener el núcleo en una posición permanente y a controlar la forma del mismo.

Repaso de la sección 1. ¿Cuál es el fin principal del citoesqueleto? 2. ¿Cuáles son las funciones respectivas de los microtúbulos y microfilamentos? 3. ¿Qué son los filamentos intermedios?

Exterior de la célula

Membranas y paredes celulares Ya hemos visto las funciones que desempeñan los orgánulos en la célula y cómo se conectan dentro del citoesqueleto. En este apartado exploraremos el papel de la membrana plasmática y de las membranas que rodean los orgánulos. Después, analizaremos la estructura y funciones de la pared celular de la célula vegetal, que separa unas células de otras y las aísla del exterior.

Las membranas son barreras protectoras presentes alrededor de la célula y en su interior Las membranas son barreras que controlan todo lo que entra o sale de la célula. Los biólogos han desarrollado un modelo de estructura de membrana llamado modelo de mosaico fluido (Figura 2.12). Dicho modelo consiste en una doble capa, o bicapa, de moléculas llamadas fosfolípidos, que constituyen la estructura básica de la membrana plasmática y de las membranas que rodean los orgánulos. La estructura de la membrana es fluida, ya que las moléculas de fosfolípidos se mueven y se pliegan con facilidad. Todo fosfolípido presenta una parte soluble en agua y otra no soluble. La parte soluble en agua, llamada «cabeza», y que contiene una molécula de fosfato, posibilita el paso de algunas sustancias a través de la membrana plasmática. La parte no soluble consiste en dos «colas» de ácidos grasos. Las ilustraciones de macromoléculas de fosfolípidos suelen representarlos como un abalorio (cabeza

Cadenas secundarias de azúcares

Fosfolípido Cabeza Cola

Proteínas

Bicapa lipídica

Interior de la célula (citoplasma)

Figura 2.12.

Estructura de una membrana.

Las membranas celulares se componen principalmente de fosfolípidos, con sus colas de ácidos grasos no solubles en agua orientadas hacia el interior y con sus cabezas de fosfato solubles en agua hacia las dos superficies de la membrana. Las proteínas se encuentran acopladas en diversos lugares: adheridas a la superficie de la membrana, penetrando completamente en la misma y rodeando sus poros.

Capítulo 2

18/11/05

16:40

Página 43

CAPÍTULO 2

de fosfato) con dos largas colas que salen del mismo. En la membrana plasmática, las cabezas de fosfato solubles en agua constituyen las superficies externas e internas de la membrana, mientras que las colas no solubles en agua penden del centro de la misma. Hay una gran variedad de proteínas que se adhieren a la superficie de la membrana plasmática o que aparecen acopladas en mayor o menor grado en la misma, formando un modelo de mosaico. Algunas proteínas no se extienden por la membrana, y suelen unir las moléculas que llegan a la misma. Otras proteínas o grupos de proteínas se extienden completamente a través de la membrana plasmática, desempeñando funciones tales como: ◆ ◆ ◆ ◆ ◆

facilitar canales a lo largo de la membrana para la entrada y salida de la célula de diversas moléculas; controlar el transporte de agua y otras sustancias a través de la membrana; servir como sitios receptores para las moléculas transportadas o, incluso, para otras células; identificar otras células e incluso organismos nocivos; servir como lugar de adhesión para las moléculas que controlan las funciones y estructura de la célula.

◆

Estructura de las células y ciclo celular

Las proteínas y la doble capa de fosfolípidos permiten que la membrana plasmática sea selectivamente permeable o parcialmente permeable. Esto es, dichas estructuras transportan algunas moléculas a través de la membrana plasmática, pero no todas. En el Capítulo 10 veremos cuáles son los mecanismos mediante los que se transportan moléculas a través de las membranas.

La pared celular protege la célula vegetal y define su forma Al contrario que las células animales, las células vegetales presentan una pared celular que rodea la membrana plasmática, evitando que entre demasiada agua dentro de la célula. El agua entra en la célula a través de la membrana plasmática mediante un proceso llamado ósmosis (véase Capítulo 10). Cuando una célula vegetal tiene suficiente agua, su pared celular la rodea como si fuera una chaqueta. Esta chaqueta tiene uno o dos componentes. Las células vegetales producen una pared celular primaria, más ancha que la membrana plasmática y que se sitúa en el exterior de la misma (Figura 2.13). La mayoría de las células

Citoplasma

Figura 2.13. Laminilla media Pared primaria Pared secundaria

Vacuola

Núcleo

Lámina media Pared primara Pared secundaria (a)

Punteadura

Bordes Membrana de la punteadura Cavidad de la punteadura

(b)

43

Paredes celulares primaria y secundaria.

(a) Las células vegetales producen una pared celular primaria justo en el exterior de la membrana plasmática. Más tarde, muchas células producen una segunda pared celular entre la pared celular primaria y la membrana plasmática. (b) La pared celular secundaria suele ser más ancha que la pared primaria. La pared secundaria presenta regiones llamadas punteaduras donde la pared es más delgada o inexistente, lo cual agiliza la transferencia de agua y minerales disueltos de una célula a otra. La pared celular se compone sobre todo de celulosa, en la que varias moléculas de celulosa forman una microfibrilla, y varias microfibrillas forman a su vez una macrofibrilla. Otros componentes, como la lignina, la hemicelulosa y las proteínas, mantienen las macrofibrillas unidas.

Capítulo 2

18/11/05

44

16:40

Página 44

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

vegetales adultas, especialmente en las plantas leñosas, producen una pared celular secundaria, más ancha, entre la pared primaria y la membrana plasmática. En algunas partes, la pared celular secundaria se hace más delgada o desaparece, dejando regiones conocidas como punteaduras, que permiten una rápida transferencia de agua y minerales entre célula y célula. La pared celular secundaria provee la mayor parte del sostén estructural en las plantas leñosas, constituyendo más del 90% del peso de los árboles de gran tamaño. Las paredes de las células vegetales están compuestas fundamentalmente por celulosa, un carbohidrato consistente en azúcares de glucosa unidos entre sí. La mayoría de las moléculas de celulosa se disponen unas al lado de otras formando microfibrillas cilíndricas (10 a 25 nm de diámetro). Las moléculas de celulosa de las microfibrillas están conectadas por algunas partes formando subunidades cristalinas llamadas micelas. Estas uniones se producen mediante dos tipos de proteínas: las pectinas, de aspecto gelatinoso, y las hemicelulosas, que son carbohidratos de apariencia viscosa. Las microfibrillas se enrollan entonces entre sí, formando estructuras más grandes llamadas macrofibrillas, que pueden llegar a medir 0.5 µm de diámetro y 4 µm de longitud. Podríamos decir que las microfibrillas son como pequeños hilos que se entrelazan para formar hilos más grandes, que son las macrofibrillas. Otros hilos de pectinas y hemicelulosas se entrelazan entre las macrofibrillas para unirlas formando el tejido de la pared celular, que algunas proteínas se encargan de estabilizar en determinados lugares. En el Capítulo 7 analizaremos con más detalle la estructura de la celulosa. En las plantas vasculares, unas moléculas rígidas llamadas ligninas se encargan de fortalecer las paredes celulares, reemplazando el agua y cubriendo o incrustando la celulosa como si fuese una sustancia parecida al alquitrán. Las plantas no vasculares, como el musgo, carecen de ligninas. Por lo general, las paredes celulares de las algas y hongos se estructuran de manera diferente a las de las plantas. Las paredes celulares de la mayoría de las algas contienen celulosa, pero también presentan diferentes tipos de compuestos que no se encuentran en las paredes celulares de una célula vegetal. Asimismo, algunas algas poseen paredes celulares que parecen hechas de cristal, con sílice como componente fundamental. Las paredes celulares de los hongos están hechas de quitina, un carbohidrato de estructura parecida a la celulosa. Entre las paredes celulares primarias de células adyacentes se encuentra una fina capa llamada lámina media o capa intercelular (del latín lamina, que significa «placa

delgada»). La lámina media está compuesta principalmente por pectinas, que mantienen las células unidas. Las pectinas también se utilizan en la cocina para ligar gelatinas y mermeladas o confituras.

Los plasmodesmos son canales que conectan las células vegetales Las paredes celulares de las células vegetales actúan como barreras entre las mismas, pero en un organismo intercelular es necesario que existan conexiones entre los citoplasmas celulares. Por esta razón, existen numerosos canales llamados plasmodesmos (del griego desma, que significa «vínculo»), que mantienen un contacto directo entre las células (Figura 2.14). A través de ellos circulan pequeños filamentos de contenido celular. Cada plasmo-

Célula 2 Desmotúbulo Célula 1

Plasmodesmos

Retículo endoplasmático

Membrana plasmática Paredes celulares Lámina media

Figura 2.14.

Plasmodesmos.

En este diagrama se puede apreciar la continuidad del retículo endoplásmico entre las dos células gracias a los desmotúbulos.

Capítulo 2

18/11/05

16:40

Página 45

CAPÍTULO 2

desmo está rodeado de una membrana plasmática y suele presentar una conexión intercelular denominada desmotúbulo. Los plasmodesmos permiten el paso de moléculas pequeñas e incluso macromoléculas entre las células.

Repaso de la sección 1. Explica por qué es la membrana plasmática selectivamente permeable. 2. ¿Por qué es importante para las células vegetales tener una pared celular? 3. Describe la estructura básica de una pared celular vegetal. 4. ¿De qué manera están las células vegetales interconectadas?

El ciclo celular y la división celular Hasta ahora hemos analizado la estructura de una célula vegetal común al comienzo de su vida. Como todos los organismos, las células tienen un ciclo vital que abarca juventud, madurez y vejez. Al final de su ciclo vital, las células se dividen o se mueren. Para las células vegetales, la muerte no significa necesariamente que dejen de ser útiles; todo lo contrario, pues las paredes celulares compuesta por células muertas se convierten en partes permanentes del cuerpo vegetal. Por ejemplo, en los árboles de gran tamaño, más del 99% de las células del tronco están muertas. Dichas células son de gran utilidad, puesto que transportan agua y proporcionan el sostén estructural necesario para elevar la cubierta vegetal hasta la luz solar. A pesar de que las células muertas pueden desempeñar labores muy importantes, el crecimiento de un organismo pluricelular depende de la división celular. Como ya sabemos, todos los organismos pluricelulares, independientemente de su tamaño, comienzan siendo una única célula. Un número relativamente pequeño de divisiones celulares consecutivas pueden transformar una única célula en un organismo con varios miles de millones de células. Por ejemplo, si una célula y sus descendientes continúan dividiéndose 50 veces consecutivas, habrían dado lugar a más de un billón de células (1015). Como podemos apreciar en el cuadro El fascinante mundo de las plantas de la página 48, la división celular tiene importantes consecuencias en la Biotecnología Vegetal. En esta sección veremos qué re-

◆

Estructura de las células y ciclo celular

45

lación hay entre la división celular y el crecimiento y reproducción en un organismo eucariota.

El ciclo celular describe las fases de la vida de una célula El ciclo celular es la secuencia de acontecimientos que abarca desde el momento en que una célula se origina como resultado de una división celular hasta que esa misma célula comienza a dividirse. En los organismos eucariotas, el ciclo celular consiste en períodos de crecimiento y desarrollo que conducen a las células a convertirse en determinados tipos de células, la duplicación del ADN, la preparación para la división y, finalmente, la división celular propiamente dicha. Las células que se originan de esta nueva división comenzarán entonces un nuevo ciclo celular. Aproximadamente, un 90% de la vida celular se corresponde con un periodo llamado interfase, en el cual la célula no ha comenzado todavía la división celular. El nombre en sí indica que éste es el periodo de transición hacia el proceso de división celular. La primera parte de la interfase recibe el nombre de fase G1 (la G procede del término inglés gap, que significa «espacio») y se corresponde con el periodo de crecimiento, desarrollo y funciones de la célula en concreto. Para que la célula se divida y mantenga un número completo de cromosomas, es preciso que el ADN de los cromosomas se duplique o se copie. En las células eucariotas adultas, el ADN de cada cromosoma se replica durante la llamada fase S, donde la S hace referencia a la síntesis de ADN. De corta duración, durante la misma se generan dos hebras hermanas de ADN denominadas cromátidas. En el Capítulo 13 se describe con más detalle el proceso de duplicación del ADN. A la fase S le sigue la fase G2, durante la cual la célula continúa con su actividad habitual mientras comienza a prepararse para la división celular. La división celular en sí recibe el nombre de fase mitótica o fase M, que hace referencia a la división del núcleo o mitosis. La mitosis es la división del núcleo en dos núcleos hijos genéticamente idénticos. Este proceso se explica en los apartados siguientes. La división de una célula en dos células nuevas o células hijas implica dos procesos. Uno de ellos se corresponde con la división del núcleo, mientras que el otro equivale a la separación del citoplasma y del núcleo en dos células hijas. Este último proceso recibe el nombre de citocinesis, que se podría traducir como «movimiento celular». En la Figura 2.15 se muestra cómo es el ciclo celular.

Capítulo 2

18/11/05

46

16:40

Página 46

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

nuevos organismos diferentes genéticamente a los dos progenitores. En los Capítulos 4 y 5 analizaremos el papel de la mitosis en el crecimiento vegetal, y en el 6 veremos su papel en la reproducción. En este mismo capítulo compararemos la mitosis con la meiosis, un tipo de división nuclear que sólo está implicada en la reproducción.

Mitosis Citocinesis

Fase mitótica

La mitosis da origen a dos núcleos hijos, que contienen el mismo número de cromosomas que la célula original

M G2

G1

S (Síntesis de ADN)

I n t e rf a s e

Figura 2.15.

Ciclo celular de una célula eucariota.

La interfase, período entre las divisiones celulares, comprende el crecimiento inicial y posterior desarrollo (fase G1), la duplicación del ADN (fase S), y el crecimiento continuado y la preparación para la división celular (fase G2). En realidad, la división del núcleo y la división celular en sí, conocidas como fase M o fase mitótica, sólo representan cerca del 10% de la vida de una célula normal.

La mitosis y la división celular participan en el crecimiento y la reproducción La división celular, que incluye la mitosis, desempeña un papel fundamental en el crecimiento de todos los organismos eucariotas. También puede participar en la reproducción. La mitosis tiene lugar: ◆ ◆ ◆

◆

durante el crecimiento del embrión y su posterior desarrollo en la edad adulta; en la sustitución celular en un organismo adulto; durante la reproducción asexual de varios tipos. La reproducción asexual es la formación de nuevos organismos genéticamente idénticos al progenitor; durante algunas fases de la reproducción sexual en los vegetales. La reproducción sexual es la formación de

La mitosis tiene lugar tras la fase G2, que es una de las fases del ciclo celular. Aunque es un proceso continuo, se podría definir la mitosis a partir de cuatro fases: profase, metafase, anafase y telofase. La Figura 2.16 muestra las características más importantes de cada fase.
La principal característica de la profase es que los cromosomas se han encogido y ensanchado lo suficiente como para ser visibles a través de un microscopio óptico. Cada cromosoma aparece en forma de dos cromátidas hermanas, que equivalen a las dos hebras de ADN duplicadas durante la fase S. Las cromátidas están unidas entre sí por una estrecha región cromosómica denominada centrómero. Mientras tanto, los nucleolos desaparecen. Un axonema de microtúbulos (no aparece en la figura que representa la profase) empieza a formarse en dos sitios llamados centrosomas o centros organizadores de microtúbulos. Éstos se mueven cada uno hacia los extremos opuestos de la célula. A diferencia de las células vegetales, en las células animales cada centrosoma contiene dos centríolos compuestos por microtúbulos. Al final de la profase, llamada también prometafase, la envoltura nuclear se rompe en diversas piezas y desaparece, mientras que los axonemas de microtúbulos comienzan a desplazar los cromosomas hacia el centro de la célula. En su centrómero, cada cromátida forma una compleja estructura de proteínas llamada cinetocoro, al que se adhieren algunos microtúbulos.  Durante la metafase, los cromosomas se desplazan hacia una placa imaginaria conocida como placa metafísica, que se extiende a lo largo del diámetro de la célula, equidistante de los dos polos del axonema, que ya está completamente for-

Capítulo 2

18/11/05

16:40

Página 47

CAPÍTULO 2

Célula madre

◆

Estructura de las células y ciclo celular

47

Envoltura nuclear Centrómero

1 Profase

Cromátida

Una de las dos cromátidas

2 Metafase Fibra del axonema

Cromosoma

3 Anafase

Placa celular

4 Telofase

Fragmoplasto

Núcleo

Citocinesis Dos células hijas

Figura 2.16.

Mitosis.

El proceso de la mitosis se suele describir haciendo referencia a cuatro fases: profase, metafase, anafase y telofase. Los cambios más importantes que se producen son la reducción y el ensanchamiento de los cromosomas durante la profase, la alineación de los mismos durante la metafase, la migración de los cromosomas hacia los polos opuestos durante la anafase, y la formación de la envoltura nuclear y la extensión de los cromosomas durante la telofase. La citocinesis o división del citoplasma suele comenzar al final de la anafase o al principio de la telofase. En las células vegetales, un cilindro de microtúbulos llamado fragmoplasto forma la placa celular que separa la célula en dos células hijas.

Capítulo 2

18/11/05

48

16:40

Página 48

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

EL FASCINANTE MUNDO DE LAS PLANTAS Aplicación de cultivos de células vegetales Cada una de las células que conforman un vegetal contiene toda la información genética y los códigos de dicho vegetal. Esto significa que cada célula presente en un vegetal tiene el potencial de producir un nuevo vegetal completo. Por esta razón, decimos que estas células son totipotenciales. Un aspecto muy interesante de estas células vegetales es que si se cultivan en un tubo de ensayo, facilitándoles un medio que contenga todos los nutrientes necesarios, se podría promover fácilmente la totipotencia. Esta capacidad de las células vegetales para producir vegetales tiene diversas utilidades. Además de crear vegetales completos, las células vegetales individuales pueden definir los rasgos individuales de un vegetal. Por ejemplo, los compuestos únicos que sólo un vegetal completo produce pueden sintetizarse mediante cultivos de células vegetales que actúan como industrias químicas. La importancia de estos cultivos radica en que compuestos específicos como los alcaloides, que protegen a los vegetales de enfermedades y depredadores, pueden también acabar con los organismos causantes de enfermedades que atacan al ser humano (se ha comprobado que algunos incluso acaban con las células cancerosas). A pesar de su gran utilidad, es muy costoso obtener muchos de los compuestos vegetales cuando se utiliza el vegetal completo. Por ejemplo, la vinca pervinca (Catharanthus roseus) produce vinblastina y vincristina, dos alcaloides muy útiles como medicamentos contra el cáncer. Estos alcaloides constituyen sólo el 0,0005% del peso del vegetal. Si se utilizara el vegetal completo como fuente de los mismos, supondría un coste de aproximadamente 750.000 euros por kilogramo, en el caso de la

vinblastina, y 2,6 millones de euros, en el caso de la vincristina. Utilizar este proceso con el fin de producir la cantidad necesaria de uno de estos dos compuestos para el tratamiento de un solo paciente conllevaría un coste superior a 7.500 euros. Además, ambas moléculas son muy complejas, por lo que no resulta rentable sintetizarlas fuera del vegetal. Los científicos están experimentando con cultivos de células para rentabilizar dichos alcaloides, pero los costes de producción relacionados con el uso de vegetales completos todavía no se han optimizado lo suficiente. Con todo, existen numerosas técnicas bastante prometedoras. Una de ellas consiste en estimular la producción a través de hormonas vegetales. Otra técnica es la que emplean algunos científicos que realizan copias extra de los genes responsables de la producción mediante procesos de ingeniería celular. Además, es posible seleccionar las células mutantes para elevar las concentraciones de alcaloides. Por ende, los científicos pueden buscar células que segreguen el alcaloide deseado al exterior de la célula, evitando así eliminarla. A continuación se muestra una lista de algunos de estos compuestos y su utilidad. Actualmente, sólo unos pocos se pueden producir de manera rentable mediante cultivos celulares, pero todo apunta a que en un futuro la situación mejorará. A medida que los científicos aprendan más acerca de cómo producen, almacenan y liberan sus compuestos las células, la rentabilidad de estos cultivos aumentará, posibilitando así la aparición de nuevos medicamentos a precios más razonables, cuya producción no dañe el Medio Ambiente.

Ejemplos de compuestos vegetales de importancia médica Nombre científico de la planta

Nombre común de la planta

Compuesto

Aplicación

Aloe spp. Atropa spp.

Aloe Belladona

Catharanthus roseus Cephaelis ipecacuanha Curcuma longa

Contra las quemaduras Medicamentos anestésicos y antiespasmódicos Medicamentos contra el cáncer Inductor del vómito Disminuye el nivel de colesterol

Datura spp.

Vinca pervinca Ipecacuana Cúrcuma o Azafrán de Las Indias Estramonio

Ácido crisofánico Atropina, escopolamina e hiosciamina Vinblastina y vincristina Compuestos del rizoma Extracto de compuestos del rizoma

Digitalis purpurea Ephedra spp.

Dedalera o digital Efedra

Atropina, hiosciamina y escopolamina Digitalina Efedrina

Medicamentos anestésicos y antiespasmódicos Estimulante cardíaco Disminuye la presión sanguínea

(continúa)

Capítulo 2

18/11/05

16:40

Página 49

CAPÍTULO 2

◆

Estructura de las células y ciclo celular

49

Ejemplos de compuestos vegetales de importancia médica (continuación) Nombre científico de la planta

Nombre común de la planta

Compuesto

Aplicación

Ginkgo biloba

Ginkgo

Favorece la memoria

Lobelia inflata Mucana pruriens Papaver somniferum

Lobelia Mucuna Adormidera o amapola del opio Podofilo o mandrágora americana Rauvolfia o leño serpentino Tejo del Pacífico

Extractos de compuestos de las hojas Sulfato de lobelina L-dopa Morfina y codeína

Tratamiento de dificultades respiratorias Tratamiento de Parkinson Propiedades analgésicas (alivio del dolor)

Podofilotoxina

Medicamentos antitumorales

Reserpina

Tratamiento de enfermedades mentales e hipertensión Medicamentos contra el cáncer

Podophyllum peltatum Rauvolfia serpentina Taxus brevifolia

Taxol

mado. Los microtúbulos adheridos a los cinetocoros son los responsables de este movimiento.  En la anafase, las dos cromátidas hermanas de cada cromosoma se separan, de manera que cada cromátida es ahora un cromosoma independiente. Las proteínas motoras «transportan» los cromosomas hacia los polos opuestos de la célula. Los microtúbulos del axonema adheridos a los cinetocoros se acortan, mientras que el resto de microtúbulos se alarga, empujando y separando los polos celulares.  La telofase es la última de las fases de la mitosis. Comienza con la llegada de los dos grupos de los cromosomas a cada polo de la célula. La telofase es la fase contraria a la profase, es decir, en cada célula vuelve a formarse la envoltura nuclear, los cromosomas se desenrollan y el axonema desaparece.  La citocinesis es la división del citoplasma, que suele empezar al final de la anafase o al principio de la telofase. En las células animales, que carecen de pared celular, la citocinesis conlleva una especie de estrechamiento en el citoplasma. La «cintura» resultante, llamada surco de división, empieza a estrecharse hasta que acaba separando la célula en dos células nuevas. En las plantas y en algunas algas interviene un fragmoplasto en la citocinesis, que forma una placa celular. El fragmoplasto es un cilindro compuesto por microtúbulos deriva-

dos del axonema, que se alinean entre los dos núcleos hermanos. La placa celular, compuesta por dos nuevas membranas plasmáticas y paredes celulares, se forma entre los núcleos, en el centro del fragmoplasto, y se extiende poco a poco hasta dividir la célula en dos células hermanas.

Las células nuevas se suelen especializar Como ya sabemos, la mitosis es esencial en la formación de nuevos vegetales. No obstante, la mitosis por sí misma se limitaría a dividir el espacio celular disponible en subunidades más y más pequeñas. Para crear un organismo pluricelular que funcione, la mitosis debe ir seguida de un crecimiento y un desarrollo de células especializadas en diversas funciones. Al madurar, las células nuevas suelen convertirse en células adultas de diferentes tipos, según su lugar y función dentro del organismo. En el siguiente capítulo, veremos cómo se especializan las células vegetales en diferentes funciones.

Repaso de la sección 1. Enumera las fases del ciclo celular y describe lo que sucede en cada una de ellas. 2. ¿Cuáles son los propósitos de la mitosis y de la división celular? 3. Describe, a grandes rasgos, qué sucede durante la mitosis.

Capítulo 2

18/11/05

50

16:40

Página 50

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

RESUMEN Introducción a las células

Principales orgánulos de la célula vegetal

Las células son microscópicas y facilitan la absorción adecuada de oxígeno, agua y nutrientes a través de la superficie celular para cubrir las necesidades de las zonas internas.

Las células de las plantas, algas, hongos y animales poseen básicamente el mismo tipo de orgánulos. El interior de una célula vegetal (todo lo que está dentro de la pared celular) recibe el nombre de protoplasto. El interior consta de dos partes: el núcleo y el citoplasma.

Los microscopios nos descubren el mundo celular (págs. 29-31) El microscopio óptico desvía la luz para producir imágenes aumentadas. El microscopio electrónico enfoca electrones con lentes magnéticas para producir imágenes. El microscopio electrónico de transmisión (MET) proyecta electrones a través de un espécimen para originar imágenes televisivas. El microscopio electrónico de barrido (MEB) dispara electrones a la superficie de un espécimen para crear una imagen en 3D. La célula es la base de la estructura y reproducción de un organismo (págs. 31-32) La teoría celular afirma que todo organismo está formado por una o más células, que la célula es la unidad básica de estructura y que toda célula se origina a partir de otra célula ya existente. Todas las células son procariotas o eucariotas (págs. 32-33) Las células eucariotas evolucionaron a partir de células procariotas y suelen ser más grandes y más complejas, con un núcleo cerrado y otros orgánulos unidos por membranas. La mayoría de los organismos procariotas conocidos son bacterias, que son organismos unicelulares. Los organismos eucariotas pueden ser unicelulares, pero normalmente son pluricelulares. Las funciones celulares en los eucariotas son responsabilidad de los orgánulos. La teoría endosimbiótica afirma que algunos orgánulos son el resultado de la ingestión de células procariotas entre sí. Las células producen ácidos nucleicos, proteínas, carbohidratos y lípidos (pág. 33) Los ácidos nucleicos (ADN y ARN) contienen genes. Las instrucciones genéticas del ARN dirigen la síntesis de proteínas, las cuales se componen de aminoácidos y definen las características físicas de un organismo. Algunas proteínas son componentes estructurales, mientras que otras, llamadas enzimas, regulan las reacciones químicas. Las proteínas también participan en el transporte y en las respuestas a estímulos. Los carbohidratos, tales como los azúcares y el almidón, son fuente de energía y bloques de construcción estructural. Los lípidos, como las grasas y los fosfolípidos, tienen una doble función, pues actúan como bloques de construcción estructural y como capas protectoras.

El núcleo proporciona «anteproyectos» de ADN para la fabricación de proteínas (págs. 34-36) El ADN en el núcleo está organizado en cromosomas, que presentan una compleja estructura en forma de hilo. Un cromosoma contiene muchos genes, y cada uno de ellos codifica una proteína específica. Los nucleolos son estructuras redondas que se encuentran en algunos cromosomas y que sintetizan subunidades para los ribosomas. La envoltura nuclear presenta poros que permiten la entrada y salida de sustancias hacia el citoplasma y desde el mismo. Los ribosomas fabrican las proteínas (pág. 36) Los ribosomas son partículas muy pequeñas que usan el ARN para sintetizar las proteínas. A diferencia de otros orgánulos, los ribosomas carecen de membrana y también aparecen en las células procariotas. El retículo endoplasmático es el lugar donde se produce más síntesis de proteínas y lípidos (pág. 36) El retículo endoplásmico (RE) es una red de membranas adheridas a la membrana nuclear. Funciona como sitio de unión, donde tiene lugar la fabricación y exportación de lípidos (en el RE liso) y de proteínas (en el RE rugoso). El aparato de Golgi completa y transporta los productos celulares (pág. 36) También conocido como complejo de Golgi, este orgánulo consiste en unos sacos denominados cisternas que, apiladas y unidas por una membrana, forman cuerpos que almacenan y modifican los productos del RE antes de exportarlos desde la célula a través de las vesículas de transporte. Los cloroplastos de las células vegetales verdes convierten la energía solar en energía química almacenada (págs. 36-37) Los cloroplastos son orgánulos fotosintéticos presentes en las células de las partes verdes de un vegetal. En los tilacoides, la energía solar se convierte en energía química, mientras que la producción y el almacenamiento de azúcares tiene lugar en un fluido circundante llamado estroma. Los cloroplastos son un tipo de plastidio, un orgánulo que fabrica y almacena nutrientes o pigmentos para las células vegetales. Los plastidios carentes de color, que reciben el nombre de leucoplastos, suelen con-

Capítulo 2

18/11/05

16:40

Página 51

CAPÍTULO 2

◆

Estructura de las células y ciclo celular

51

tener almidón, mientras que los cromoplastos contienen pigmentos amarillos, naranjas o rojos.

lular alrededor de la vacuola central en un movimiento circular llamado corriente citoplásmica o ciclosis.

Las mitocondrias convierten la energía almacenada en energía para la célula (págs. 37-38) La mitocondria es un orgánulo que actúa como «motor» de la célula, puesto que convierte la energía química almacenada en ATP, que es la molécula orgánica propulsora de las actividades celulares.

Las proteínas motoras o «motores moleculares» generan el movimiento (págs. 41-42) Los microtúbulos y microfilamentos proporcionan vías para guiar a las proteínas motoras («motores moleculares»), las cuales se adhieren a estas estructuras para ser transportadas hasta cualquier lugar de la célula.

Los microcuerpos participan en las reacciones químicas (págs. 38) Los microcuerpos son orgánulos esféricos, de pequeño tamaño, que contienen enzimas. Los peroxisomas son microcuerpos que confinan el procesamiento del peróxido de hidrógeno para las reacciones químicas. Los vegetales también presentan microcuerpos llamados glioxisomas, que contienen enzimas que convierten las grasas en azúcares.

Los filamentos intermedios ayudan a determinar la estructura permanente de la célula (pág. 42) Los filamentos intermedios son más gruesos que los microfilamentos, pero más delgados que los microtúbulos. En las células vegetales, su función podría ser la de ayudar a mantener la forma de la célula.

Las vacuolas desempeñan diversas funciones en el metabolismo celular y en la determinación de la forma de la célula (págs. 38-39) La mayor parte del volumen de una célula vegetal lo ocupa una gran vacuola central que almacena agua y productos de desecho, regula las concentraciones de sales y ayuda a mantener la forma de la célula. La membrana de la vacuola se llama tonoplasto.

El citoesqueleto: control de la forma y movimiento de las células El citoesqueleto (esqueleto celular) mantiene la forma de la célula y evita que los orgánulos floten libremente. El citoesqueleto tiene tres tipos de proteínas en forma de hilo: microtúbulos, microfilamentos y filamentos intermedios, que se extienden como vías a lo largo de citosol o hialoplasma. Los microtúbulos desempeñan un importante papel en los movimientos celulares (págs. 39-40) Los microtúbulos son los hilos proteínicos más largos del citoesqueleto. Dirigen el movimiento de moléculas, orgánulos y cromosomas dentro de la célula. Los microtúbulos también pueden ser componentes de los cilios y flagelos, los apéndices propulsores que se encuentran en muchas células animales y en las células reproductoras móviles de los vegetales. Los microfilamentos ayudan a las células vivas a cambiar de forma (pág. 41) Los microfilamentos son los hilos de proteínas más delgados del citoesqueleto. Están compuestos de una proteína llamada actina, y son los causantes del movimiento y de los cambios en la forma de la célula. En los vegetales, desplazan el contenido ce-

Membranas y paredes celulares Las membranas son barreras protectoras presentes alrededor de la célula y en su interior (págs. 42-43) La célula está rodeada de una membrana plasmática (membrana celular) que controla todo lo que entra o sale de la misma. El modelo de mosaico fluido describe la estructura de la membrana plasmática como una doble capa de fosfolípidos que hace que la membrana sea selectivamente permeable. La pared celular protege la célula vegetal y define la forma de la misma (págs. 43-44) Los vegetales, al contrario que los animales, poseen una pared celular externa a la membrana plasmática. Además de la pared celular primaria que toda célula vegetal produce, algunas células de las plantas leñosas producen una pared celular secundaria, más ancha que la primaria, entre esta última y la membrana celular, que proporciona sostén estructural. La pared celulares vegetal está compuesta principalmente por largas moléculas de celulosa. Por su parte, las plantas vasculares constan de unas moléculas rígidas llamadas lignina, que fortalecen la pared celular. Las paredes celulares de células adyacentes se mantienen unidas gracias a una fina capa denominada laminilla media o capa intercelular. Los plasmodesmos son canales que conectan las células vegetales (págs. 44-45) Los plasmodesmos permiten que las moléculas pasen de una célula a otra.

El ciclo celular y la división celular Al final de su ciclo vital, las células se dividen o se mueren. A menudo, las células muertas proporcionan sostén estructural y conducen agua. El crecimiento y la reproducción de un organismo pluricelular dependen de la división celular.

Capítulo 2

18/11/05

52

16:40

Página 52

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

El ciclo celular describe las fases de la vida de una célula (pág. 45) El ciclo celular abarca dos grandes períodos: interfase y fase mitótica. La interfase comprende el 90% del ciclo celular e incluye la fase G1, la duplicación del ADN (fase S) y la fase G2. Durante la fase S, el ADN de cada cromosoma se duplica para producir dos hebras hermanas de ADN, llamadas cromátidas. La fase mitótica o fase M comprende la división celular, durante la cual las cromátidas se convierten en cromosomas separados, y el núcleo y el citoplasma se dividen para formar células separadas. La división celular consiste en la división del núcleo y en la citocinesis o separación del citoplasma y de los nuevos núcleos en células hijas. La mitosis y la división celular participan en el crecimiento y la reproducción (pág. 46) La mitosis está implicada en el crecimiento, en la sustitución celular en organismos adultos, en la reproducción sexual en los vegetales y en la reproducción asexual. La mitosis da origen a dos núcleos hijos, que contienen el mismo número de cromosomas que la célula original (pág. 46-49) La mitosis comprende varias fases: profase (aparición de cada cromosoma en forma de par de cromátidas hermanas y comienzo de la formación de un axonema de microtúbulos; rotura de la envoltura nuclear, y movimiento de cromátidas hacia el centro de la célula); metafase (alineación de las cromátidas a lo largo del centro entre los dos polos del axonema); anafase (separación de las cromátidas para formar cromosomas individuales, que se desplazan hacia los polos opuestos), y telofase (contraria a la profase, donde vuelven a formarse membranas nucleares alrededor de cada célula hija). Normalmente, la citocinesis tiene lugar al final de la anafase o al principio de la telofase. Durante la citocinesis de una célula vegetal, se forma una placa celular que divide la célula en dos células hijas. Las células nuevas se suelen especializar (págs. 49) La división celular divide el espacio celular disponible, pero no origina el crecimiento. Para que un organismo pluricelular se desarrolle, la división celular debe ir seguida del crecimiento y la diferenciación celulares, así como de la creación de células especializadas en diferentes funciones.

Cuestiones de repaso 1. Describe, a grandes rasgos, cómo funciona cada uno de los siguientes microscopios: microscopio óptico, microscopio electrónico de transmisión y microscopio electrónico de barrido. 2. ¿Cuáles son las tres conclusiones básicas de la teoría celular? 3. Enumera las diferencias entre una célula eucariota y una procariota.

4. ¿En qué se parecen las funciones de una célula procariota y una eucariota? 5. ¿Qué relación hay entre la endosimbiosis y la evolución de los orgánulos? 6. ¿En qué sentido es el núcleo el «supervisor» de una célula eucariota? 7. ¿En qué lugar de la célula se produce la síntesis de proteínas? 8. ¿Qué relación hay entre el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi? 9. ¿Qué relación hay entre los cloroplastos y las mitocondrias? 10. Describe las funciones de la gran vacuola central de una célula vegetal. 11. Compara y contrasta los orgánulos de una célula vegetal y de una célula animal. 12. ¿Qué ocurriría si no existiese el citoesqueleto? 13. Compara y contrasta los microtúbulos y los microfilamentos. 14. Explica qué hace que una pared celular sea fuerte y rígida. 15. ¿Cómo están unidas las células vegetales? 16. ¿Qué ocurre en cada fase del ciclo celular? 17. Explica qué ocurre durante cada una de las fases de la mitosis.

Cuestiones para reflexionar y debatir 1. Los microscopios abrieron la puerta a un mundo inimaginable para muchas personas. Hace poco, unos cuantos filósofos afirmaron que la ciencia había descubierto casi todo, y que lo único que quedaba por hacer era trabajar en los detalles. ¿Estás de acuerdo? Justifica tu respuesta. 2. ¿Qué características de la célula hacen que parezca una fábrica? 3. ¿Es una célula vegetal una especie de organismo en miniatura? Razona tu respuesta. 4. Si cada célula de un vegetal contiene todos los genes del mismo, ¿qué evita que las células se conviertan en vegetales individuales por sí solas? ¿Por qué, por ejemplo, cada hoja no da lugar a miles de brotes? 5. ¿En qué se parecen el citoesqueleto y el esqueleto humano? ¿En qué se diferencian? 6. ¿A qué problemas tendrían que enfrentarse los organismos de gran tamaño como los árboles y humanos si la división celular no tuviese lugar y fueran sólo una única célula gigante? 7. Las células procariotas son bastante pequeñas en comparación con las eucariotas. ¿Por qué crees que hay pocas células procariotas grandes? 8. Con la ayuda de una serie de dibujos, (a) muestra cómo quedaría el citoplasma de una célula procariota ingerida por otra más grande, quedando rodeado de dos membranas. Indica cuál es la membrana plasmática original de la célula procariota pequeña y cuál es la membrana de la va-

Capítulo 2

18/11/05

16:40

Página 53

CAPÍTULO 2

cuola digestiva de la célula receptora. (b) Ahora continúa la secuencia de diagramas para demostrar cómo procesos de ingestión similares podrían dar lugar a un cuerpo ingerido que ha quedado rodeado de cuatro membranas. Ésta es la estructura que encontramos en los cloroplastos de las algas pardas (Pista: ¿cuál sería el resultado si la célula originada en el apartado (a) se ingiriera a sí misma?). Identifica el origen de cada una de las cuatro membranas.

Conexión evolutiva Basándote en la información aportada en este capítulo sobre las similitudes y diferencias entre una célula eucariota y una procariota, enumera los rasgos que tendrían mitocondrias y cloroplastos si es correcta la teoría endosimbiótica, que afirma que éstos evolucionaron de células procariotas ingeridas entre sí. ¿Se han encontrado estos rasgos? ¿Contradice la teoría el hecho de que ni mitocondrias ni cloroplastos pueden crecer en un cultivo puro? Justifica tu respuesta.

Para saber más Desde hace poco, los laboratorios científicos vienen utilizando un nuevo microscopio llamado microscopio de fuerzas atómicas o microscopio de efecto túnel. Este nuevo instrumento nos proporciona una visión del área de superficie, pero posee mucho más aumento que un microscopio electrónico de barrido. Busca más información en Internet sobre este nuevo microscopio para saber cómo funciona. De Kruif, Paul, y F. González-Crussi. Cazadores de microbios. Barcelona: Biblioteca Científica Salvat, 1995. Este libro reco-

◆

Estructura de las células y ciclo celular

53

ge la historia de importantes e interesantes personajes del mundo de la microbiología y da la impresión de transportarnos al momento en el que se realizaron todos estos fascinantes descubrimientos. Drake, Ellen Tan. Restless Genius: Robert Hooke and His Earthly Thoughts. Nueva York: Oxford University Press, 1996. Todo lo que conocemos sobre Robert Hooke pone de manifiesto las múltiples facetas de este gran genio. Los últimos días del Edén es una emocionante cinta protagonizada por Sean Connery y Lorraine Bracco, que narra la destrucción de la selva tropical y el potencial de la misma para la producción de sustancias de gran utilidad para el mundo de la medicina. Además, ¡no podemos perdernos a Sean Connery en el papel de un botánico! Nichols, Richard. Robert Hooke and the Royal Society. Philadelphia, PA: Trans-Atlantic Publications, 1999. Robert Hooke mantuvo una excelente relación con la Royal Society. Isaac Newton, que dirigió dicha sociedad tras la muerte de Hooke, tenía frecuentes disputas con este último e intentó borrar de los registros de la Royal Society todo rastro suyo. Rasmussen, Nicolas. Picture Control: The electron Microscope and the Transformations of Biology in America, 1940-1960. Standford, California: Standford University Press, 1997. Este libro da cuenta de un importante periodo de la historia de la ciencia. Thomas, Lewis. Las vidas de la célula. Barcelona: Ultramar Editores S.A., 1990. Thomas, Lewis. La medusa y el caracol. España: Fondo de Cultura Económica. Todos los libros de Lewis Thomas están muy bien escritos, son fáciles de leer e inducen al pensamiento crítico.

Portadillas

25/11/05

10:50

Página I

Capítulo 3

18/11/05

16:41

Página 55

3 Introducción a la estructura de las plantas

brio rinio El fa El fa

divis fílum fila endo espo gam glicó Los v

L Av Min “” véase

º siglo

Secuoya costera (Sequoia sempervirens).

Principales tipos de células vegetales

El tejido fundamental suele originarse entre el tejido dérmico y el tejido vascular

Las células del parénquima son el tipo más común de célula viva diferenciada

Introducción a los órganos de una planta vascular

Las células del colénquima confieren un soporte flexible

El tallo dispone las hojas para optimizar la fotosíntesis

Las células del esclerénquima confieren un soporte rígido

Las hojas participan en la fotosíntesis y en la transpiración

Estructura histológica del cuerpo de una planta vascular

La raíz ancla el vegetal al tiempo que absorbe agua y minerales

El sistema de tejido dérmico conforma la cobertura protectora externa de la planta

Introducción al crecimiento y desarrollo de los vegetales

El tejido vascular conduce agua, minerales El embrión da lugar al tallo, hojas y raíz y nutrientes de una planta con semillas adulta

Los meristemos permiten que el vegetal continúe creciendo durante toda su vida El meristemo apical promueve el crecimiento primario, que otorga longitud a la raíz y al vástago Los botánicos investigan el modo en que los genes controlan la formación de un meristemo apical El meristemo apical da lugar al meristemo primario, el cual produce el tejido primario El crecimiento secundario de los meristemos laterales proporciona un mayor grosor a la raíz y al tallo Algunas plantas viven durante un período vegetativo, mientras que otras viven durante dos o más

Capítulo 3

18/11/05

56

16:41

Página 56

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

ace más de doscientos millones de años, cuando los dinosaurios todavía dominaban el mundo animal, las Gimnospermas dominaban el mundo vegetal, siendo las Coníferas los vegetales más voluminosos. Entre sus descendientes se encuentra casi el ser vivo más alto: la secuoya costera (Sequoia sempervirens). La primera palabra del nombre científico venera a Sequoyah, el creador de la escritura Cherokee, mientras que sempervirens proviene del latín y significa «siempre verde». La secuoya costera crece de manera natural únicamente en la estrecha franja costera que se extiende desde el norte del Estado de California hasta el sur del Estado de Oregón. Puede crecer en más sitios, pero nunca llegará a alcanzar la altura tan sorprendente que luce en su hábitat natural. El árbol más alto que existe actualmente es el Stratosphere Giant (Gigante de la Estratosfera), situado en el Humboldt Redwoods State Park (California). Tiene una altura de 112,34 metros, lo que significa que es cinco pisos más alto que la Estatua de la Libertad. La secuoya también es ancha, pues el tronco de una secuoya madura puede tener un diámetro de 3 a 6,1 metros. Son árboles de crecimiento rápido; los árboles que tienen entre 4 y 10 años de edad pueden alcanzar los 2 metros de altura en un solo período vegetativo. En ocasiones, se traduce incorrectamente el término sempervirens por «siempre vivo». No es de extrañar, pues se cree que el Stratosphere Giant tiene entre 600 y 800 años, y se ha verificado que la secuoya de mayor edad tiene al menos 2.200 años. En parte, el secreto de su longevidad reside en la corteza, que es muy gruesa (alcanza unos 30 centímetros de grosor en los árboles ancianos) y resistente, por tanto, a los insectos, los hongos y el fuego. ¿Por qué las secuoyas crecen tanto y siguen en pie? ¿Cómo transportan el agua y los minerales desde el suelo hasta las ramas más altas, a decenas de metros del suelo? ¿Cómo logran vivir tanto tiempo? La respuesta a tales preguntas la podemos encontrar estudiando las características básicas de la estructura y el crecimiento de las plantas. En este capítulo veremos, grosso modo, cómo las células, tejidos y órganos forman el vegetal, y cómo las células pueden especializarse en fines como el transporte, el sostén y la protección. Después, analizaremos los modelos básicos de crecimiento del vegetal.

H

Capítulo 3

18/11/05

16:41

Página 57

CAPÍTULO 3

Principales tipos de células vegetales Al igual que todos los organismos pluricelulares, un vegetal comienza siendo una sola célula. En el Capítulo 2 vimos cómo la división celular, mediante mitosis, procura nuevas células para el crecimiento del vegetal. La mayor parte de la mitosis tiene lugar dentro de las células meristemáticas, que son células no especializadas que pueden dividirse indefinidamente para producir otras nuevas. Las regiones de estas células meristemáticas que originan el nuevo crecimiento se denominan meristemos (del término griego meristos, que significa «dividido») y están presentes en todo tipo de vegetales, desde musgos a árboles gigantes. Las células meristemáticas llamadas iniciales permanecen dentro del meristemo como fuente de nuevo crecimiento. Podríamos considerarlas «máquinas mitóticas» que representan una «fuente de juventud» para el vegetal, capacitándolo para un crecimiento continuo durante toda su vida. Más adelante, examinaremos dos tipos de meristemos: el meristemo apical, que otorga longitud a las puntas del tallo y de la raíz, y el meristemo lateral, que otorga anchura al tallo y a la raíz de tipo leñoso. Cuando una célula inicial se divide mediante mitosis, una célula hija permanece como inicial en el mismo lugar dentro del meristemo. La otra célula hija, que se dice derivada, es expulsada del meristemo y puede dividirse de nuevo o comenzar los procesos de elongación y diferenciación, mediante los cuales una célula no especializada se convierte en una célula especializada. De esta manera, un vegetal conserva siempre un suministro de células iniciales meristemáticas no especializadas para generar el nuevo crecimiento, mientras que otras nuevas células especializadas se desarrollan para cubrir determinadas funciones. Puesto que las células meristemáticas no son células especializadas, se dice que son células indiferenciadas. Las células especializadas, que tienen estructuras y funciones específicas, se conocen como células diferenciadas. Las células vegetales poseen varios grados de diferenciación, es decir, algunas están más especializadas que otras. Ocasionalmente, en los vegetales, el proceso de diferenciación puede invertirse, es decir, una célula diferenciada puede convertirse en una célula meristemática indiferenciada. Tal proceso, que la devuelve al estado meristemático, se produce durante el desarrollo de los meristemos laterales y en cultivos de tejidos de laboratorio. En esta sección compararemos los tres tipos básicos de células diferenciadas que se dan normalmente en los ve-

◆

Introducción a la estructura de las plantas

57

getales: células del parénquima, células del colénquima y células del esclerénquima. Más adelante, analizaremos las células especializadas que conducen agua, minerales y nutrientes en las plantas vasculares.

Las células del parénquima son el tipo más común de célula viva diferenciada La mayoría de las células vegetales vivas son células del parénquima, que actúan como «bestia de carga» en un vegetal. En la mayoría de las plantas, son la célula viva más habitual, como célula diferenciada, y como tipo de célula (Figura 3.1). Al mismo tiempo, son el tipo de célula menos especializada de un vegetal, pues, por lo general, no suelen sufrir demasiada diferenciación antes de asumir el papel que les corresponde como células vegetales maduras. Algunos botánicos consideran que las células parenquimáticas son las precursoras inmediatas del resto de células, mientras que otros opinan que son las células meristemáticas las que dieron lugar a las células diferenciadas, incluyendo las células parenquimáticas. Las células del parénquima tienen una pared celular primaria delgada y normalmente carecen de secundaria. Esta delgada pared las capacita para adquirir formas variadas durante el crecimiento y rellenar el espacio disponible, pero lo más normal es que sean esféricas, cúbicas o alargadas. Puesto que carecen de pared secundaria y, por tanto, contienen menos celulosa, al vegetal le resulta relativamente «económico» producirlas. En consecuencia, el vegetal suele utilizarlas para rellenar el espacio desocupado o dar estructura a las partes que deben ser sustituidas con frecuencia, como, por ejemplo, las hojas. De hecho, el término griego parenchein quiere decir «verter a un lado». Aunque sus funciones principales son las de rellenar el espacio y proporcionar estructura, las células parenquimatosas también tienen otros fines. La mayoría de las células fotosintéticas son células parenquimáticas especializadas y se llaman células del clorénquima. Las células parenquimáticas también almacenan agua y nutrientes en la raíz, el tallo, las hojas, las semillas y los frutos. Cuando comemos fruta, probablemente la mayor parte de lo que ingerimos sean células parenquimáticas. Cuando examinemos la estructura de un vegetal, nos toparemos con estas células en muchas partes. Durante la madurez siguen estando vivas y generalmente se pueden dividir, lo que les permite convertirse en diferentes tipos de células más especializadas, como veremos más adelante.

Capítulo 3

18/11/05

58

16:41

Página 58

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

Gránulos de almidón (a) Parénquima de reserva de almidón Cloroplastos (b) Parénquima de reserva de agua

(c) Clorénquima

Figura 3.1.

Las células del parénquima son el tipo más común de célula vegetal.

Por lo general, las células del parénquima son células vegetales relacionadas con una gran variedad de funciones, como la fotosíntesis, el almacenamiento de alimentos y agua, y la provisión de estructura. (a) Las células del parénquima de reserva de almidón se dan en las hojas, el tallo y la raíz. (b) Las células del parénquima también pueden servir como reservas de agua en la raíz y el tallo. (c) Las células del clorénquima contienen cloroplastos y se encuentran sobre todo en las hojas.

Las células del colénquima confieren un soporte flexible La principal función de las células del colénquima es proporcionar un soporte flexible. Las células del colénquima son normalmente alargadas y pueden adquirir formas variadas durante el crecimiento, pues permanecen vivas en la madurez y carecen de pared secundaria. A diferencia de las células del parénquima, las células del colénquima poseen una pared primaria que se engruesa en algunas zonas donde contiene celulosa adicional, habitualmente en los

bordes de la pared celular. El nombre colénquima proviene del griego kolla, que quiere decir «pegamento», y hace referencia a estas gruesas capas de celulosa, que permiten a este tejido proporcionar mayor sostén que el parénquima y mantenerse flexible al mismo tiempo (Figura 3.2). Los investigadores han descubierto que los vegetales que viven en entornos ventosos o que están sometidos a una tensión mecánica artificial producen mucho más colénquima, que les permite doblarse sin llegar a quebrarse. Con el fin de proporcionar sostén, las células del parénquima y del colénquima deben estar turgentes, es decir,

Capítulo 3

18/11/05

16:41

Página 59

CAPÍTULO 3

Paredes celulares ensanchadas en los bordes

Figura 3.2.

◆

Introducción a la estructura de las plantas

59

griego skleros, y significa «duro», aludiendo al hecho de que la gruesa pared secundaria proporciona un sostén rígido. No en vano, la pared celular de una célula del esclerénquima es mucho más dura que la de una célula del colénquima o del parénquima (Figura 3.3). Al vegetal le resulta «caro» producir las células del esclerénquima debido a la celulosa adicional necesaria para construir la pared celular secundaria. En consecuencia, las células del esclerénquima son menos comunes en vegetales pequeños que las del parénquima o las del colénquima. Al contrario que éstas dos últimas, las células del esclerénquima mueren al alcanzar la madurez. Proporcionan firmeza es-

Las células del colénquima confieren un sostén flexible.

La pared celular de las células del colénquima se ensancha en algunas zonas por la presencia de celulosa adicional, lo que les permite proporcionar un mayor sostén que las células del parénquima, al tiempo que otorgan flexibilidad a los tallos vivos.

hinchadas o agrandadas debido a que están llenas de agua. Tomemos como ejemplo las células del colénquima que componen la mayor parte de las «costillas» estructurales de un tallo de apio. Después de dejarlo en la nevera, el tallo quedará flácido como resultado de la pérdida de agua, pero al ponerlo en agua recuperará la turgencia. Si alguna vez hemos hinchado una colchoneta de aire o un colchón de agua, sabremos lo que quiere decir que una célula esté turgente. De la misma forma que estos elementos pueden aguantar nuestro peso, una célula vegetal llena de agua facilita el sostén al vegetal.

Las células del esclerénquima confieren un soporte rígido A diferencia de las células del colénquima y de la mayoría de las del parénquima, las células del esclerénquima constan de pared secundaria, a menudo fortalecida con lignina. La palabra esclerénquima procede del término

(a) Fibras

(b) Esclereidas

Figura 3.3.

Las células del esclerénquima confieren un sostén rígido.

(a) Este tallo presenta unas células del esclerénquima largas y estrechas conocidas como fibras, que proporcionan sostén rígido al vegetal. Las células del esclerénquima suelen tener entre 20 y 50 µm de ancho y pueden llegar a tener 70 mm de longitud en el caso de las fibras. (b) La ancha y rígida pared celular de las células esclereidas, también conocidas como células pétreas, proporcionan sostén estructural a los huesos y cáscaras de los frutos, así como esa característica textura granulosa a la pulpa de la pera.

Capítulo 3

18/11/05

60

16:41

Página 60

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

EL FASCINANTE MUNDO DE LAS PLANTAS Fibras flexibles La naturaleza resistente y elástica de las fibras las hace ser muy útiles desde el punto de vista económico. Las fibras de la corteza interna, también conocida como fibras finas, sólo contienen una pequeña cantidad de lignina. Proceden del floema del tallo de las Dicotiledóneas, como la planta del lino (Linum usitatissimum), el cáñamo (Cannabis sativa) y el yute (Corchorus capsularis). (Más adelante estudiaremos el floema con mayor detenimiento.) La planta del lino se usa para fabricar papel y lino textil, mientras que el yute se utiliza para fabricar cuerda. Puesto que el cáñamo es fuente de una gran variedad de productos, incluidos papel, textiles y cuerda, el cultivo del cáñamo se ha extendido durante las últimas décadas con el fin de salvaguardar los recursos forestales. Sin embargo, las variedades de la especie Cannabis sativa cultivadas para la obtención de fibras son similares a las utilizadas para obtener la marihuana. Por eso, las autoridades temen que alguien asegure estar cultivando cáñamo para obtener cuerda, papel o textiles, y realmente esconda otros planes comerciales. Las hojas de los vegetales producen otro tipo de fibras conocidas como fibras duras, que son mucho más rígidas y bastas que las fibras finas, pues las paredes de sus células contienen mayor cantidad de lignina. Las fibras duras proceden generalmente del xilema de las Monocotiledóneas (estudiaremos el xilema más adelante en este capítulo). Los artesanos utilizan las fibras duras para hacer cuerdas resistentes y gruesas, como las que se fabrican en Filipinas a partir de las

hojas del abacá o cáñamo de Manila (Musa textilis). Las fibras duras también pueden obtenerse a partir de las hojas de la piña (Ananas comosus) y del sisal (Agave sisalana). Muchas culturas han adaptado las hojas y tallos de diferentes vegetales para producir fibras y textiles.

tructural en regiones que han dejado de crecer en longitud y que ya no necesitan ser flexibles. Si el vegetal se marchita, es decir, si pierde turgencia por la carencia de agua, las células del esclerénquima todavía pueden conferirle sostén gracias a su pared celular endurecida. Hay dos tipos de células del esclerénquima que proporcionan sostén y protección: las fibras y las esclereidas. Las fibras son células alargadas, con una pared secundaria gruesa reforzada con lignina, la cual la hace fuerte y flexible (véase el cuadro El fascinante mundo de las plantas en esta página). Normalmente, las fibras se encuentran agrupadas y permiten que los tallos, incluidos los troncos de los árboles, se muevan con el viento sin romperse. Las esclereidas presentan formas más variadas, pero lo más

normal es que sean cúbicas o esféricas. Son las responsables de estructuras como las cáscaras o los huesos de los frutos, generalmente de dureza pétrea y sin flexibilidad. La textura arenosa de la pulpa de una pera se debe también a las esclereidas, que ordinariamente se conocen como células pétreas.

Planta del lino. El cultivo de lino ha estado presente en todo el mundo desde el año 3.000 a. C. aproximadamente.

Lino. Semillas, fibras y tejido. Hoy en día, la mayor parte del papel se fabrica a partir de la celulosa de los árboles. Sin embargo, en otro tiempo, las fibras de lino fueron fuente común del papel y del lino textil.

Repaso de la sección 1. ¿En qué se diferencian las células meristemáticas de las células del parénquima, del colénquima y del esclerénquima? 2. Compara los tres tipos básicos de células diferenciadas.

Capítulo 3

18/11/05

16:41

Página 61

CAPÍTULO 3

◆

Introducción a la estructura de las plantas

61

Estructura histológica del cuerpo de una planta vascular Todas las plantas tienen células que llevan a cabo la fotosíntesis, almacenan y transportan agua y nutrientes y proporcionan sostén. En las plantas vasculares, que representan la inmensa mayoría de las plantas, muchas células del parénquima, colénquima y esclerénquima se convierten en células especializadas en el transporte, sostén y protección. Por el contrario, los musgos y otros Briófitos no presentan tantos tipos de células especializadas para dichas funciones. En este apartado estudiaremos la estructura y función de las células más especializadas de una planta vascular. Un grupo de células con una misma función es un tejido. A diferencia de los zoólogos, los botánicos distinguen dos tipos de tejido: simple y complejo. Un tejido simple se compone de un solo tipo de célula. Por ejemplo, las células del parénquima, colénquima y esclerénquima pueden formar por separado un tejido simple. Un tejido complejo está formado por varios tipos de células, es decir, una mezcla de células del parénquima, del esclerénquima y de células conductoras de agua. En las plantas, varios tejidos simples y complejos se organizan en tres unidades funcionales conocidas como sistemas de tejido, que son continuos a lo largo de todo el vegetal. La Figura 3.4 nos muestra los tres sistemas de tejido en las plantas vasculares: sistema de tejido dérmico, sistema de tejido vascular y sistema de tejido fundamental. Todos ellos se originan a partir de las células meristemáticas.

El sistema de tejido dérmico conforma la cobertura protectora externa de la planta El sistema de tejido dérmico (del griego derma, que significa «piel») es la cubierta externa de protección de una planta. El tejido dérmico comienza siendo células del parénquima, que después se convierten en varios tipos de células que protegen al vegetal de un daño físico y de la desecación. Durante el primer año de crecimiento, una planta presenta una capa de tejido dérmico que se conoce como epidermis, cuyas células se encuentran muy juntas formando una barrera de seguridad. En las plantas que viven más de un período vegetativo, la epidermis del tallo y de la raíz se sustituye por un tejido protector llamado peridermis (del griego, «que rodea la piel»), que consiste

Tejido dérmico

Tejido fundamental

Tejido vascular

Figura 3.4.

Tres sistemas de tejido.

El sistema dérmico consiste en la capa protectora externa de tejido. El sistema de tejido vascular contiene los tejidos que conducen agua, minerales y nutrientes. El sistema de tejido fundamental suele localizarse entre los dos tejidos anteriores. Se debe tener en cuenta que cada sistema es continuo a lo largo de todo el vegetal.

fundamentalmente en células no vivas de corcho que protegen al vegetal de los depredadores y de la pérdida de agua. Como veremos en el Capítulo 5, las plantas leñosas presentan múltiples capas peridérmicas. Las células dérmicas pueden modificarse mediante la formación de prolongaciones similares a pelos denominadas tricomas. La palabra tricoma proviene de la palabra griega para «pelo». Este tipo de pelo lo encontramos en las prolongaciones de las hojas y semillas de la planta del algodón (véase el cuadro Las plantas y las personas de la página 62). El tejido dérmico también contribuye a controlar el intercambio de gases, incluido el vapor de agua. Por ejemplo, muchos tallos y hojas vegetales producen una cutícula,

Capítulo 3

18/11/05

62

16:41

Página 62

UNIDAD UNO

LAS

◆

Estructura de las plantas

PLANTA S

Y

L A S

P E R SO NA S

El algodón a través de los siglos os tricomas pueden cubrir varias necesidades de las plantas, como dar sombra a las hojas que sufren un exceso de luz, dispersar el viento, proteger de los insectos, ayudar a obtener los nutrientes y esparcir las semillas. En el caso del algodón, los tricomas han servido tanto a necesidades vegetales como humanas, siendo muy importante no sólo para la evolución del vegetal en sí, sino también para la historia de la Humanidad. Los tricomas del algodón se originan a partir de la capa celular externa de su semilla y tienen aspecto de pelos largos y huecos. Se pegan al pelaje de los animales y otras superficies, ayudando a transportar las semillas a otros lugares. Cientos de estos tricomas pueden enrollarse entre sí para formar un hilo, que luego los seres humanos tejen y convierten en un tejido textil. Durante más de 4.000 años, el algodón, originario de varios continentes, ha desempeñado un papel fundamental en la historia de la Humanidad. El algodón se tejía a mano, un proceso que comienza envolviendo una masa desorganizada de fibras de algodón alrededor de un palo denominado rueca. El hilo se fabricaba tirando de las fibras de la rueca y atándolas a una varilla de madera denominada huso, que se utilizaba para enderezar, enrollar y unir el conjunto de hebras. Los tejedores sujetaban entonces el hilo en un marco de madera llamado telar. Durante miles de años, se utilizó este procedimiento, pero el tejido era lento de fabricar, no muy resistente y de consistencia desigual. El principal problema de la producción de algodón era la lenta y tediosa retirada de las semillas de las fibras del algodón, proceso que se dio en llamar desmotado. A finales del siglo XVIII, el estadounidense Eli Whitney resolvió este problema inventando la desmotadora mecánica de algodón, una máquina que hacía pasar unas piezas metálicas por el algodón que retiraban los desechos. La desmotadora de algodón tuvo una gran repercusión en la época de esclavitud en Estados Unidos. El pretexto principal de la esclavitud en América fue la necesidad de mano de obra para las plantaciones de azúcar en el Caribe y el sur de Estados Unidos. A principios del siglo XIX, la esclavitud en Estados Unidos se encontraba en declive. El cultivo de remolacha azucarera en Europa redujo el mercado de azúcar en América y condujo a una

L

disminución de la demanda de trabajo de esclavos. Sin embargo, con la desmotadora de algodón, las plantaciones sureñas se centraron progresivamente en el algodón y la gran necesidad de mano de obra dio lugar a una mayor demanda de esclavos. Hacia 1820, el algodón ya había sobrepasado a la caña de azúcar y al tabaco como cultivo principal en el sur de Estados Unidos. Después de la abolición de la esclavitud, las plantaciones de algodón disminuyeron hasta que el progreso industrial revitalizó su producción. En Gran Bretaña y Estados Unidos, la industria textil y la industria del algodón estuvieron además vinculadas a una dilatada explotación infantil. En 1769, un ciudadano inglés llamado Richard Arkwright patentó una máquina hiladora que fabricaba 128 hebras de hilo uniforme a la vez, y para ponerla en marcha sólo eran precisas unas pocas personas, que no necesitaban estar cualificadas. Sin embargo, debido a que su hiladora se hizo mayor y más compleja, Arkwright reorganizó la producción para aumentar el número de trabajadores no cualificados, que repetían una y otra vez la misma tarea. Desgraciadamente, muchos de estos trabajadores eran niños, comenzando así el uso masivo de mano de obra infantil, que continuó en Gran Bretaña hasta bien entrado el siglo XIX, y que Charles Dickens vívidamente ilustró y condenó en sus novelas. En Estados Unidos, la explotación infantil perduró hasta principios del siglo XX.

Explotación infantil. Durante el siglo XIX, Gran Bretaña y Estados Unidos recurrieron abusivamente al trabajo infantil para fabricar productos de algodón, una práctica que se mantuvo en Estados Unidos hasta comienzos del siglo XX. La imagen recoge a un niño trabajando en una fábrica de algodón de Nueva Inglaterra.

Capítulo 3

18/11/05

16:41

Página 63

CAPÍTULO 3

◆

Introducción a la estructura de las plantas

una capa externa a la pared celular compuesta por cera y por una sustancia grasa llamada cutina, que contribuye a limitar la pérdida de agua. Ocasionalmente, las plantas resistentes a la sequía producen grandes cantidades de cera, que puede ser esencial para la capacidad de supervivencia y floración del vegetal en cuestión, en regiones proclives a la sequía y al viento. El tejido dérmico primario de la parte superficial del vegetal también contiene poros, que pueden abrirse para permitir el intercambio de gases y cerrarse para evitar la pérdida de agua (Capítulo 4).

Punteaduras areoladas

63

Punteaduras areoladas

El tejido vascular conduce agua, minerales y nutrientes El sistema de tejido vascular (un sistema de tejido continuo que conduce agua, minerales y nutrientes) está formado por dos tejidos complejos: xilema y floema. El xilema transporta agua y nutrientes minerales desde la raíz hasta el resto del vegetal. El floema transporta azúcares y otros nutrientes orgánicos desde las hojas hasta el resto del vegetal. En otras palabras, el floema transporta los alimentos resultantes de la fotosíntesis. La suma de lo que transportan el xilema y el floema se conoce como savia. En el Capítulo 4 veremos cómo se organizan el xilema y el floema en haces y otras estructuras.

Xilema: tejido conductor de agua El xilema de todas las plantas vasculares contiene traqueidas, que son células largas que se estrechan en los extremos (Figura 3.5). Las traqueidas fueron las primeras células conductoras de agua en las plantas vasculares y son el único tipo de células conductoras de agua en los helechos, Coníferas, así como de las plantas vasculares sin flores en general. La mayoría de los botánicos creen que las traqueidas se derivan únicamente de células meristemáticas, pero otros consideran que son un tipo muy diferenciado de esclerénquima. Al igual que las células del esclerénquima, las traqueidas mueren al alcanzar la madurez, y de ellas sólo queda la pared celular. La gruesa pared secundaria de una traqueida rodea el espacio que previamente ocupó el contenido de la célula viva. Las traqueidas se alinean unas con otras para formar un sistema continuo de conducción de agua. La pared celular secundaria de una traqueida presenta unas regiones más finas denominadas punteaduras, en las que sólo existe pared primaria. Las punteaduras de traqueidas adyacentes están normalmente alineadas, lo que permite

Punteadura areolada

Figura 3.5.

Traqueidas.

En la mayoría de las plantas sin flores, como las Coníferas, las células conductoras presentes en el xilema son las traqueidas. Algunas plantas con flores producen un tejido conductor sólo a base de traqueidas, pero la mayoría constan de tejidos formados por traqueidas y vasos. Las traqueidas se disponen en grupos, y sus punteaduras permiten el movimiento de agua y minerales de una traqueida a otra.

que el agua y los minerales fluyan de una traqueida a otra que esté por encima, por debajo o al lado de la misma. En algunos vegetales, las punteaduras están rodeadas por unas protuberancias en la pared celular secundaria, que refuerzan la apertura y también la hacen más estrecha, aminorando así el flujo. La Figura 3.6 muestra cómo la membrana de la punteadura, que consiste en la pared celular primaria porosa y la delgada laminilla media, regula el fluido a través de las punteaduras areoladas. En las

Capítulo 3

18/11/05

64

16:41

Página 64

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

Figura 3.6.

Además de las punteaduras normales, muchos vegetales poseen punteaduras areoladas, en las cuales los engrosamientos de la pared celular secundaria hacen que la apertura se estreche. (a) En las Coníferas y en algunas Angiospermas primitivas, las punteaduras areoladas presentan un área más gruesa en el centro de la membrana de la punteadura, denominada toro, que actúa como una válvula que controla el flujo de agua y minerales entre las células. Cuando el toro está en el centro, no se obstruye el flujo, pero cuando la membrana de la punteadura se desplaza hacia un lado, el toro bloquea la apertura. (b) Este dibujo muestra el toro y la delgada área que rodea la membrana de la punteadura, tal y como se percibe a través de la apertura. Como podemos observar, el agua y los minerales pueden pasar con facilidad a través de las áreas porosas de la membrana de la punteadura. (c) Esta micrografía muestra una punteadura areolada, vista desde la perspectiva de la apertura.

Toro Punteadura areolada

(a)

Laminilla media

Aréola

MO

Pared celular secundaria

Pared celular primaria

Las punteaduras son cavidades huecas en la pared celular secundaria

2 µm

Área porosa de la membrana de la punteadura Toro Apertura del toro bloqueada (flujo obstruido)

Toro

(b)

Membrana de la punteadura (pared celular primaria y laminilla media)

Coníferas y algunas Angiospermas primitivas, existe un área más gruesa en la mitad de la membrana de la punteadura que se denomina toro y que actúa como una válvula. Si la membrana se desplaza hacia un lado, el toro bloquea la apertura de la punteadura para aminorar el flujo. Además de las traqueidas, el xilema de la mayoría de las plantas con flores y de unas pocas Gimnospermas contiene otras células conductoras del agua llamadas elementos de los vasos, que transportan agua y minerales más rápido que las traqueidas (Figura 3.7). La mayoría de botánicos cree que los elementos de los vasos se derivan únicamente de células meristemáticas, pero otros creen que son un tipo de esclerénquima marcadamente diferenciado. Al igual que las traqueidas, los elementos de los vasos mueren en su madurez, y la pared celular forma en-

(c)

MET

2 µm

tonces tubos huecos. Sin embargo, son generalmente más amplios, más cortos y menos estrechos que las traqueidas. Tienen el mayor diámetro de todas las células conductoras (hasta 100 µm, en comparación con los 10 µm de las traqueidas) y pueden transportar una cantidad de agua y minerales 100 veces superior que las traqueidas. Los elementos vasculares pierden algo o gran parte de su pared celular en cada extremo, dejando unas placas de perforación que permiten que el agua fluya a la vez que confieren sostén. De este modo, los elementos de los vasos se unen para formar un conducto continuo o vaso. Los elementos de los vasos también poseen punteaduras, que permiten un flujo lateral de vaso a vaso. Los elementos de los vasos transportan con mayor rapidez el agua y los minerales, pero también pueden suponer un peligro para el vegetal, en comparación con las traquei-

Capítulo 3

18/11/05

16:41

Página 65

CAPÍTULO 3

◆

Introducción a la estructura de las plantas

65

Punteaduras

(b) Placa de perforación

MEB

20 µm

Placa de perforación Traqueidas

(a) Traqueidas y una sección del vaso que muestra tres elementos de los vasos

MEB

(c) Tres elementos de los vasos 100 µm

Figura 3.7.

Elementos de los vasos.

Los elementos de los vasos se encuentran en la mayoría de las plantas con flores y en algunas Gimnospermas. Son células grandes con pared celular secundaria que están unidas unas a otras formando vasos. Como podemos observar, los elementos de los vasos son más anchos que las traqueidas adyacentes. De hecho, pueden tener un diámetro diez veces mayor que el de las traqueidas. En los vasos, las paredes de los extremos están incompletas, y están compuestas de un material de la pared secundaria llamado placa de perforación, que permite el flujo de agua a la vez que proporciona sostén al vaso.

das. Si se forma una burbuja de aire en una sola traqueida, el flujo de agua se interrumpe únicamente en esa célula y el movimiento general de agua apenas se ralentiza. Al moverse a través de las traqueidas, el agua se adhiere a la pared de una célula relativamente pequeña, luego hay una menor posibilidad de que el flujo se vea interrumpido y probablemente se verá afectada una sola traqueida. Sin embargo, en un vaso, la pared secundaria de los elementos vasculares no aguanta tan bien la columna de agua, porque esta pared es más ancha y favorece la formación de burbujas de aire. Si un solo elemento vascular se

bloquea por una burbuja de aire, todo el vaso puede dejar de conducir agua. Asimismo, un vaso es más vulnerable a una congelación, porque los cristales de hielo formados en un solo elemento vascular bloquearán el flujo vascular por completo, mientras que en las traqueidas el hielo ha de formarse por separado en cada una de ellas. La estructura celular de las traqueidas y de los elementos de los vasos mejora tanto el sostén como la conducción. La rígida pared secundaria proporciona un mejor sostén, mientras que la estructura hueca y la pared perforada facilitan el transporte.

Capítulo 3

18/11/05

66

16:41

Página 66

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

Floema: tejido conductor de alimentos En las plantas vasculares, existen otros tipos de células especializadas que forman el llamado floema, que transporta alimentos. El floema de las plantas con flores consiste en células denominadas elementos de los tubos cribosos, también conocidos como miembros de los tubos cribosos (Figura 3.8). A diferencia de las traqueidas y de los elementos de los vasos, los elementos de los tubos cribosos permanecen vivos y activos en su madurez. Agrupados extremo con extremo para formar el tubo criboso, conducen los nutrientes orgánicos desde las hojas hasta otras partes del vegetal. La mayoría de los botánicos cree que los elementos de los tubos cribosos se derivan únicamente de células meristemáticas, pero otros creen que son un tipo de parénquima marcadamente diferenciado. Un rasgo distintivo de los elementos de los tubos cribosos es la presencia de una placa cribosa, que es una pared celular con poros que bordean la membrana y permiten que los materiales pasen de una célula a otra sin

cruzar la membrana plasmática y la pared celular. Los elementos de los tubos cribosos forman una conexión citoplasmática continua a lo largo de todo el vegetal. Otro rasgo característico de estos elementos es que en su madurez carecen de núcleo, y dependen por eso de células adyacentes. La célula anexa posee núcleo, y en consecuencia puede suministrar proteínas a los elementos de los tubos cribosos. Cuando están dañados o son perturbados, los elementos de los tubos cribosos forman una molécula de carbohidratos denominada calosa en cada placa cribosa, alrededor de los componentes de la pared celular. Entretanto, los poros de las placas cribosas pueden ser obstruidos por una sustancia llamada proteína P (la P procede del término inglés para floema, phloem), que puede prevenir la pérdida del contenido celular en respuesta a una lesión. En las plantas sin flores, como los helechos o las Coníferas, el floema consta de un tipo de célula conductora más primitiva, denominada célula cribosa. Al agruparse en filas, estas células funcionan de manera muy parecida

Placa cribosa

Elemento del tubo criboso Célula anexa Parénquima floemático

Figura 3.8.

(a)

(c)

MO

(b)

Elementos de los tubos cribosos.

En las plantas con flores, las células que conducen los nutrientes reciben el nombre de elementos de los tubos cribosos. Cada elemento cuenta con una célula anexa no conductora asociada, que se origina a partir de la misma célula parenquimática que éste. La célula anexa proporciona proteínas al elemento del tubo criboso. (a) Esta micrografía óptica muestra los elementos de los tubos cribosos y sus células anexas. (b) Este diagrama representa los elementos de los tubos cribosos agrupados, con las células anexas y el parénquima floemático. (c) Micrografía óptica de una placa cribosa.

Capítulo 3

18/11/05

16:41

Página 67

CAPÍTULO 3

a los elementos de los tubos cribosos, pero los extremos de éstas carecen de placa cribosa y se solapan, en lugar de formar tubos continuos. Esta diferencia equivaldría a la existente entre la superposición de las traqueidas y el tubo continuo que forman los elementos de los vasos. Al igual que los elementos de los tubos cribosos, las células cribosas carecen de núcleo cuando alcanzan la madurez. Cada célula cribosa posee una célula albuminosa asociada que tiene núcleo, y parece tener la misma función que la célula anexa con respecto al elemento del tubo criboso. Las células conductoras de alimentos, y las que las asisten, no son los únicos componentes del tejido floemático. Además, el floema contiene parénquima y fibras.

El tejido fundamental suele originarse entre el tejido dérmico y el tejido vascular El tejido fundamental, también llamado sistema de tejido fundamental, consiste en el resto de tejido que no es vascular ni dérmico. Incluye tres tejidos simples: parénquima (predominante), colénquima y esclerénquima. Las células del tejido fundamental suelen hacerse cargo de la fotosíntesis, así como de almacenar nutrientes. Por ejemplo, las partes fotosintéticas de un vegetal están formadas principalmente por tejido parenquimático y son parte del tejido fundamental. El sistema de tejido fundamental también rellena el espacio que no ocupa el tejido dérmico o el vascular, y en este caso se le da el nombre de córtex. Sin embargo, en ocasiones aparece también en el interior del tejido vascular, y en este caso se le llama médula. La Tabla 3.1 resume los principales tipos de tejidos y células. Como veremos en el capítulo siguiente, la distribución de los tejidos fundamental y vascular puede variar, dependiendo del tipo o parte del vegetal.

Repaso de la sección 1. ¿Cómo protege el tejido dérmico a un vegetal? 2. ¿Cuáles son los dos tejidos complejos que forman el sistema vascular? ¿En qué se diferencian? 3. ¿Cuál es la función del sistema de tejido fundamental?

Introducción a los órganos de una planta vascular Los tejidos simples y los compuestos forman unas estructuras denominadas órganos. Un órgano consiste en varios

◆

Introducción a la estructura de las plantas

67

tipos de tejido adaptados en conjunto para llevar a cabo funciones específicas. Las plantas vasculares tienen tres tipos de órganos: el tallo, las hojas y la raíz. Los Briófitos y algunas plantas sin semillas presentan estructuras similares llamadas caulidio, filidio y rizoide, pero no se consideran tallos, hojas o raíces verdaderos. La lista de órganos vegetales es mucho más corta que la lista de órganos animales. Mientras que algunos botánicos incluyen estructuras reproductoras como las semillas, piñas y flores en la categoría de órganos, la mayoría reserva este término únicamente para el tallo, las hojas y la raíz. En el Capítulo 6 se estudiarán las diferentes estructuras reproductoras. En este que nos ocupa, analizaremos brevemente las funciones generales del tallo, las hojas y la raíz, pues una explicación más detallada nos aguarda en los Capítulos 4 y 5.

El tallo dispone las hojas para optimizar la fotosíntesis Un tallo es cualquier parte del vegetal que sostiene hojas o estructuras reproductoras. Los tallos pueden variar en tamaño, desde el delgado tallo que sujeta una pequeña flor, hasta un gran tronco de árbol de varios metros de diámetro y decenas de metros de altura. En las plantas leñosas, lo que llamamos comúnmente ramas son en realidad tallos más cortos unidos a un tallo más largo. Salvando las diferencias de tamaño, todos los tallos disponen las hojas en la mejor posición para realizar la fotosíntesis. Las hojas son los capturadores de luz solar y los productores de alimentos del mundo vegetal, y los tallos contribuyen a que éstas cumplan sus objetivos con éxito, no sólo proporcionándoles sostén, sino también vías entre las hojas y la raíz para el transporte de agua, minerales y comida. Además, la gran altura de muchos tallos puede contribuir a proteger las hojas de las peligrosas intenciones de muchos depredadores. Los tallos de las plantas leñosas desarrollan una corteza para protegerse de los depredadores y de las agresiones físicas.

Las hojas participan en la fotosíntesis y en la transpiración Las plantas más primitivas eran sistemas de tallos fotosintéticos carentes de hojas. Con el paso del tiempo, los tallos planos de estos vegetales crecieron unidos, convirtiéndose en estructuras continuas que hoy conocemos con el nombre de hojas. La hoja es el órgano fotosintético prin-

Capítulo 3

18/11/05

68

16:41

Página 68

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

Tabla 3.1. Sistemas de tejidos, tejidos y tipos de células Sistema de tejido

Tejido

Tipo de célula

Localización del tipo de célula

Principales funciones de los tipos de célula

Dérmico

Epidermis

Capas externas de células en todo el vegetal primario Capas externas de células en toda la planta leñosa En todo el vegetal

Protección: prevención de pérdida de agua

Parénquima

Parénquima y parénquima modificado Corcho y parénquima Parénquima

Colénquima

Colénquima

Esclerénquima

Fibra Esclereida

Bajo la epidermis del tallo; cerca del tejido vascular; a lo largo de los nervios en algunas hojas En todo el vegetal En todo el vegetal

Xilema

Traqueida

Xilema de las Angiospermas y Gimnospermas

Elemento vascular

Xilema de las Angiospermas y unas pocas Gimnospermas

Elemento del tubo criboso

Floema de las Angiospermas

Célula anexa

Floema de las Angiospermas

Célula cribosa

Floema de las Gimnospermas

Célula albuminosa

Floema de las Gimnospermas

Peridermis Fundamental

Vascular

Floema

cipal de los vegetales modernos. No en vano, cualquier observador ocasional diría que muchas plantas parecen estar compuestos especialmente de hojas. Al igual que sucede con los órganos de cualquier organismo, la estructura de las hojas está íntimamente relacionada con su función. Puesto que la fotosíntesis es su función primaria, una hoja suele ser plana con el fin de maximizar la superficie de área expuesta a la luz solar. Con todo, en algunos casos, las hojas presentan otras funciones más importantes. Por ejemplo, en el desierto, la retención de agua conlleva la adaptación de las hojas de cactus, que se ha desarrollado hasta convertirse en finas púas que pierden menos agua durante la evaporación. En

Protección Fotosíntesis; reserva de alimentos Sostén flexible en el cuerpo vegetal primario Sostén rígido Sostén rígido y protección Conducción de agua y minerales disueltos; sostén Conducción de agua y minerales disueltos; sostén Conducción de nutrientes y otras moléculas orgánicas Sostén metabólico para los elementos de los tubos cribosos Conducción de nutrientes y otras moléculas orgánicas Sostén metabólico para las células cribosas

un cactus, la mayor parte de la fotosíntesis tiene lugar en el tallo grueso, que además almacena agua (Figura 3.9). Las hojas actúan como una extensión del tejido vascular del vegetal gracias a sus nervios, que contienen xilema y floema. Un característico y bello modelo de nervios distingue las hojas de cada especie vegetal. Los nervios reciben agua y minerales del tallo a la vez que transportan alimentos hasta el mismo. Las hojas no sólo conducen agua, sino que también proveen la mayor parte de la presión que impulsa el agua a través del cuerpo vegetal. Parte de la presión es un «empuje» que parte desde la raíz, pero, en la mayoría de los vegetales, la fuerza principal que mueve el agua es un «ti-

Capítulo 3

18/11/05

16:41

Página 69

CAPÍTULO 3

◆

Introducción a la estructura de las plantas

69

produce. La raíz no es fotosintética y, en consecuencia, generalmente crece alejada de la luz. Como ya hemos visto, el sistema de tejido vascular es continuo entre la raíz, el tallo y las hojas, y los tres órganos dependen unos de los otros. La raíz necesita los azúcares y nutrientes orgánicos que las hojas producen, mientras que el tallo y las hojas necesitan el agua y los minerales que la raíz obtiene. El xilema transporta el agua y los minerales desde la raíz, mientras que el floema transporta los alimentos desde las hojas hasta el resto del vegetal. En los dos siguientes capítulos, veremos las diferencias estructurales entre el xilema y el floema en la raíz y en el tallo.

Repaso de la sección

Figura 3.9.

Tallo del cactus y adaptación de las hojas.

El tallo y las hojas del cactus se adaptan muy bien al clima árido y seco del desierto. El grueso tallo almacena agua, mientras que la pequeña superficie de las delgadas espinas (hojas) pierde menos agua por evaporación.

rón» que parte desde las hojas. Este tirón se debe a la pérdida de agua a través de los poros de las hojas, un proceso denominado transpiración. Esta evaporación de agua en un vegetal atrae el agua y los nutrientes minerales desde la raíz hasta las hojas. La química del agua contribuye a explicar cómo la transpiración impulsa grandes cantidades de agua a través del vegetal (Capítulo 10).

La raíz ancla el vegetal al tiempo que absorbe agua y minerales La raíz tiene dos cometidos principales: anclar el vegetal en el suelo y absorber agua y minerales. La absorción sólo se produce cerca de la punta de la raíz, a través de unos tricomas que se denominan pelos radicales, y que son diminutas extensiones de las células dérmicas radiculares que incrementan sobremanera el área de superficie de la raíz (Figura 3.10). Incluso en árboles de gran tamaño, la mayor parte de la raíz simplemente sirve para hacer llegar los pelos radiculares a las regiones del suelo donde puedan recoger humedad y nutrientes. Además de anclar y absorber, muchas raíces almacenan alimentos para la planta. Algunas, como las zanahorias y los boniatos, son también alimentos importantes para el ser humano. Aunque la raíz suele almacenar alimentos, en realidad no los

1. Describe la función del tallo. 2. ¿Cuáles son las dos funciones principales de las hojas? 3. Explica de qué manera están interrelacionados los tejidos vasculares de la raíz, el tallo y las hojas.

Introducción al crecimiento y desarrollo de los vegetales En cada grado estructural, desde la célula al tejido y al órgano, un vegetal es un organismo complejo y dinámico. Como sabemos, las plantas y otros organismos pluricelulares se desarrollan a partir de una sola célula, que da lugar a un número de células que se dividen, se alargan y se especializan en diferentes funciones. Para observar a grandes rasgos cómo crece un vegetal común, examinaremos una semilla vegetal, que constituye alrededor del 90% de todos los vegetales vivos. Como recordaremos, las plantas con semillas son las Gimnospermas y las Angiospermas. En las Gimnospermas (plantas con «semillas desnudas», como las Coníferas), normalmente las semillas se encuentran expuestas en las piñas. En las Angiospermas (plantas con «semillas en un recipiente»), las semillas se encuentran contenidas en los frutos. La inmensa mayoría de las plantas con semillas son Angiospermas o plantas con flores. El cuerpo de un vegetal común se puede dividir en dos sistemas de conexión: sistema radical y sistema del vástago. El sistema radical consiste en el conjunto de raíces generalmente subterráneas. El sistema del vástago consiste en todos los tallos, hojas y estructuras reproductoras superficiales. Un vástago es cualquier tallo individual y sus hojas, así como cualquier estructura reproductora

Capítulo 3

18/11/05

70

16:41

Página 70

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

(a)

(b)

Figura 3.10

Pelos radicales.

Los pelos radicales se encuentran a un centímetro de la punta de la raíz, justo por encima de la región de elongación celular. Están especializados en absorber el agua y los iones que el vegetal necesita. (a) Pelos radicales en una plántula de rábano. (b) Esta micrografía proporciona una vista detallada de los pelos radicales.

que se extienda desde el tallo, como las flores. Un vástago que tiene hojas, pero carece de estructuras reproductoras, se denomina vástago vegetativo. En este apartado, estudiaremos brevemente la forma en que se desarrollan el tallo, las hojas y la raíz de una típica planta con semillas, comenzando por el embrión que se forma en el interior de la semilla. En el Capítulo 11 veremos con detalle los primeros pasos en el desarrollo de un vegetal.

◆

◆

El embrión da lugar al tallo, hojas y raíz de una planta con semillas adulta Una planta con semillas se origina como un huevo fecundado o cigoto, que se convierte en un embrión inserto en una semilla. Un típico embrión de una planta con semillas presenta los siguientes «órganos» embrionarios que se convierten en la raíz y el vástago (Figura 3.11): ◆

Una o más «hojas embrionarias» llamadas cotiledones, que son normalmente la parte más grande y visible del embrión. Las semillas de las plantas con flores tienen uno o dos cotiledones. Las semillas de las Gimnospermas poseen dos o más cotiledones. En muchos

◆

vegetales, los cotiledones almacenan nutrientes para la semilla germinante, y pueden por ello aparecer hinchados o «carnosos». Una «raíz» embrionaria llamada radícula (del latín radix, significa «raíz») que siempre aparece prominente. Un «vástago» embrionario denominado plúmula (del latín plumula, significa «pluma suave»), y que apenas se desarrolla. La plúmula da lugar al epicótilo, una porción del «tallo» embrionario localizada por encima del cotiledón, de ahí su nombre. En algunas semillas, la plúmula no se puede distinguir, mientras que en otras es una estructura distintiva. La plúmula se convierte en un epicótilo a medida que la semilla brota. Una porción del «tallo» embrionario denominada hipocótilo, que está situado por debajo del cotiledón y sobre la radícula, y puede ser corta o larga.

En las plantas con flores, el embrión está rodeado de un tejido de reserva llamado endospermo, que se rompe para proporcionar alimentos al embrión en desarrollo. En ocasiones, el endospermo también proporciona nutrientes a la semilla que brota.

Capítulo 3

18/11/05

16:41

Página 71

CAPÍTULO 3

◆

Introducción a la estructura de las plantas

Testa de las semilla

Testa de las semilla

Cotiledón (hoja embrionaria)

Cotiledón (hoja embrionaria)

Futura localización de la plúmula (vástago embrionario)

Endospermo (reserva de alimentos) Plúmula (vástago embrionario)

Hipocótilo Endospermo (reserva de alimentos)

Hipocótilo

Radícula (raíz embrionaria) (a) Semilla de Dicotiledónea (lechuga)

Figura 3.11.

71

Radícula (raíz embrionaria) (b) Semilla de Monocotiledónea (cebolla)

Semillas de Monocotiledóneas y Dicotiledóneas.

El vástago embrionario (plúmula), la raíz embrionaria (radícula) y las hojas embrionarias (cotiledones) se distinguen con claridad en el embrión. Las semillas de las Gimnospermas poseen una estructura parecida a la de las Dicotiledóneas, pero pueden guardar más cotiledones.

La semilla puede permanecer en estado de dormancia durante un tiempo antes de la germinación, que es el proceso de brotación. Algunas condiciones medioambientales, como la temperatura, la luz o el agua pueden activar la germinación, desencadenando la producción de hormonas (del griego hormon, que significa «despertar»), que son los compuestos orgánicos responsables de las respuestas de desarrollo o crecimiento de la célula en cuestión. La germinación tiene lugar cuando la radícula rompe las capas externas de la semilla. Una vez en el suelo, la radícula empieza a absorber agua y nutrientes minerales, y comienza el proceso de formación de la plántula. Los cotiledones, y ocasionalmente el endospermo, contienen reservas de energía y bloques de construcción orgánicos en forma de almidón, proteínas y lípidos. Estas macromoléculas se rompen para nutrir la semilla germinante hasta que la plúmula comienza a realizar la fotosíntesis. Durante la germinación, la semilla depende a menudo de los alimentos almacenados en los cotiledones. Finalmente, estas hojas embrionarias de semilla se marchitan y caen de la plántula, la cual pasa a depender de la fotosíntesis y de los minerales del suelo para su nutrición. En las plantas con flores, la germinación da lugar a diferentes tipos de plántulas, dependiendo del número de cotiledones y de la longitud del hipocótilo. De hecho, las plantas con flores se han clasificado tradicionalmente en dos tipos principales: Monocotiledóneas y Dicotiledóneas, en parte por el número de cotiledones presentes en sus embriones. Las Monocotiledóneas son plantas con flores que tienen un solo cotiledón, como por ejemplo, las orquídeas, lirios, palmeras, cebollas y plantas miembros

de la familia de las Gramíneas, como el maíz, el arroz y el trigo. Las Dicotiledóneas son plantas con flores que tienen dos cotiledones. La mayoría de las plantas con flores, especialmente las más grandes, son Dicotiledóneas. Entre las Dicotiledóneas se encuentran las judías, guisantes, girasoles, rosas y robles. En el Capítulo 4, veremos las diferencias en la estructura de la raíz, tallo y hojas de las Monocotiledóneas y las Dicotiledóneas adultas. Recientes investigaciones de comparación del ADN han revelado que si bien las plantas que tradicionalmente se han dado en llamar Dicotiledóneas presentan una estructura similar, no todas están estrechamente relacionadas entre sí, luego, en términos evolutivos, no deberían considerarse un solo grupo. Sin embargo, la mayoría de ellas, que actualmente se conocen como Eudicotiledóneas («verdaderas» Dicotiledóneas), son un grupo único tanto evolutiva como estructuralmente. Puesto que la distinción tradicional entre Dicotiledóneas y Monocotiledóneas sigue siendo válida a la hora de describir las diferencias estructurales, seguiremos refiriéndonos a estos términos al comparar las diferencias estructurales de las plantas con flores.

Los meristemos permiten que el vegetal continúe creciendo durante toda su vida Como ya sabemos, el crecimiento de los vegetales difiere sobremanera del de los animales. La mayoría de los animales, incluyendo los mamíferos, presentan un crecimiento determinado (limitado). Cuando los animales crecen de pequeños a adultos, todas las partes de su cuerpo se hacen más grandes. En los humanos, el crecimiento

Capítulo 3

18/11/05

72

16:41

Página 72

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

es continuo a lo largo del «estirón» adolescente, pero luego disminuye y generalmente cesa en la edad adulta. La división, crecimiento y diferenciación celulares siguen produciéndose para la sustitución celular habitual, la producción de glóbulos rojos y blancos, la cicatrización de heridas y la formación de óvulos y esperma, pero no para aumentar el tamaño de un animal ya adulto. Por ejemplo, los humanos podemos ganar o perder peso, o incluso envejecer, pero básicamente nuestro cuerpo no aumenta de tamaño ni cambia radicalmente en términos de proporción o de número de órganos. En contrapartida, los meristemos permiten que el vegetal tenga potencialmente un crecimiento indeterminado o, lo que es lo mismo, la capacidad de un organismo para seguir creciendo mientras viva. Mediante la acción de los meristemos apicales en las puntas de la raíz y del vástago, la raíz y el tallo crecen en longitud y continúan apareciendo nuevas hojas (Figura 3.12). En las plantas leñosas, los meristemos laterales son los responsables del engrosamiento de la raíz y del tallo. Mientras que algunos vegetales crecen durante toda su vida, en muchos otros cesa el crecimiento cuando alcanzan un tamaño determinado genéticamente. Asimismo, cuando los meristemos apicales se convierten en meristemos florales, el vegetal en cuestión cesa de crecer. Partiendo del desarrollo de un cigoto hasta que se convierte en un embrión, los meristemos producen células que resultan en los tres sistemas de tejido principales de una planta vascular: el sistema de tejido dérmico, el sistema de tejido vascular y el sistema de tejido fundamental. En este capítulo estudiaremos, grosso modo, los dos tipos principales de crecimiento: primario y secundario.

El meristemo apical promueve el crecimiento primario, que otorga longitud a la raíz y al vástago El crecimiento primario es el crecimiento en longitud de la raíz y del vástago, que los meristemos apicales originan en la punta o ápice de los mismos. Estas células meristemáticas se organizan como meristemos apicales de la raíz y del vástago. En muchas plantas vasculares sin semillas, como los equisetos y algunos helechos, el meristemo apical consiste en una célula inicial que tiene forma de pirámide invertida y se divide repetidamente a lo largo de sus tres caras para producir tejido. En las plantas con semillas, un meristemo apical consiste en cerca de un centenar o varios de células iniciales que forman una cúpula microscópica de unos 0,1 mm de diámetro en la punta de

Meristemos apicales del vástago (en las yemas)

Meristemos laterales

Meristemos apicales de la raíz

Figura 3.12.

Localización de los meristemos apicales y laterales.

Un vegetal produce nuevas células en los meristemos mediante división celular, que al producirse en la punta del vástago y de la raíz entraña el crecimiento de ambos. Los meristemos laterales, responsables del crecimiento en grosor, son unos cilindros concéntricos presentes en el interior de los tallos leñosos y de las raíces leñosas.

la raíz o del tallo. Como resultado de las divisiones celulares en los meristemos apicales, y del consiguiente desarrollo y crecimiento celular, una plántula se convierte en un vegetal adulto. El cuerpo del vegetal producido por los meristemos apicales del vástago y de la raíz se denomina cuerpo vegetal primario.

Capítulo 3

18/11/05

16:41

Página 73

CAPÍTULO 3

Supongamos que atamos una cuerda alrededor del tallo de un vegetal joven. A medida que el vegetal crece, la cuerda permanecerá en el mismo lugar de la vertical del vegetal, pues el nuevo crecimiento del tallo solamente procede de los meristemos apicales de los vástagos en la punta de cada uno de éstos. Del mismo modo, el nuevo crecimiento de la raíz proviene solamente de los meristemos apicales de las raíces en la punta de cada una de éstas. Mientras el sistema radical crece, el meristemo apical del vástago alarga el tallo y produce nuevas hojas en determinados puntos. Las hojas se originan como unos pequeños bultos llamados primordios foliares a los lados de cada meristemo apical (Figura 3.13). Un primordio es una estructura foliar en su fase de desarrollo temprana. Las diferentes especies vegetales varían en la forma y dis-

Flor

◆

Introducción a la estructura de las plantas

73

posición de las hojas. Un delgado pecíolo, de aspecto parecido a un tallo, une la hoja con el tallo en un punto llamado nudo. Las secciones del tallo comprendidas entre las hojas reciben el nombre de entrenudos. En el ángulo superior o eje de cada nudo se forma una yema, donde el pecíolo se une al tallo. Cada una de estas yemas, conocida como yema axilar, consiste en un meristemo apical y primordios foliares. Cuando una yema axilar crezca, se convertirá en un nuevo vástago. Una hormona llamada auxina que se produce en el meristemo apical o cerca del mismo suprime el crecimiento de las yemas axilares. Este fenómeno se conoce como dominancia apical (Figura 3.14). Si se daña o se retira el meristemo apical, las yemas axilares empiezan a crecer. Asimismo, se suelen desarrollar a medida que el meristemo apical crece y se aleja, y la concentración de

Ápice del vástago

Yema terminal de la rama Nudo Sistema del vástago

Vástago vegetativo de la yema axilar Entrenudo

Limbo Pecíolo

(b)

MO

Yema axilar

Sistema radicular

(a)

Figura 3.13.

(c)

Sistema del vástago de una planta con flores.

(a) Las raíces y los vástagos están conectados por un sistema vascular continuo. El sistema de vástagos está compuesto por el tallo, las hojas, las flores y los frutos. Las hojas están unidas al tallo por medio de nudos, que a su vez están separados por los entrenudos. Los limbos expandidos de las hojas están unidos al tallo por los pecíolos. El sistema radicular de este vegetal posee una raíz columnar principal y raíces laterales. (b) Las hojas se originan en unas protuberancias que se forman a los lados del meristemo apical del vástago y que contienen células de rápida división. Las células se alargan para convertirse en el primordio foliar, y después en hojas a medida que el meristemo apical del vástago crece y se aleja de ellas. (c) Las ramas se forman a partir de las yemas axilares que hay en la superficie superior del ángulo que forman el pecíolo y el tallo.

Capítulo 3

18/11/05

74

16:41

Página 74

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

Figura 3.14.

Yema axilar

«Muñón» tras retirar la yema axilar

Ramas laterales

auxina disminuye. Como las yemas axilares se convierten en ramas con sus propios meristemos apicales, un vegetal puede tener muchos meristemos apicales, dependiendo de la cantidad de ramas. Un meristemo apical puede cesar la producción de hojas y producir en su lugar piñas o flores. El número y el crecimiento de yemas axilares determinan la forma final de la parte superficial de un vegetal. Por ejemplo, las ramas de un roble se extienden uniformemente en todas direcciones porque la actividad de sus meristemos apicales es paralela. Por el contrario, el meristemo apical de la parte superior de los abetos y piceas, que es la parte que solemos utilizar como árbol de Navidad, es mucho más activo que el de las otras ramas.

Los botánicos investigan el modo en que los genes controlan la formación de un meristemo apical Los meristemos apicales se desarrollan precozmente en la etapa cordiforme de la formación del embrión vegetal. La futura localización del meristemo radical se corresponde con el extremo del corazón, mientras que la futura localización del meristemo del vástago es una región celular muy pequeña situada entre las alas del corazón, las cuales constituyen los cotiledones. Al observar mutaciones en semillas germinantes y plántulas, los botánicos han identificado genes que dirigen la formación de los meristemos apicales y, por tanto, de las raíces y los vástagos en general. Los nombres que se han asignado a estos

Yemas axilares y dominancia apical.

La auxina producida por el ápice del vástago principal provoca la dormancia de las yemas axilares. Cuando se retira el ápice, cesa la producción de auxina y las yemas axilares comienzan a crecer. Las citoquininas originadas en la raíz también estimulan el crecimiento de las yemas axilares. Incluso, si se mantiene el meristemo apical, las yemas axilares más distantes del ápice del vástago empezarán a crecer debido a la disminución en la concentración de auxina.

genes, como espantapájaros, hobbit o pinocho, hacen referencia a sus efectos sobre el crecimiento y, obviamente denotan el sentido del humor del botánico descubridor de los mismos. Al observar el crecimiento de una plántula, los botánicos han descubierto que algunas mutaciones causan un incremento, reducción o ausencia tanto del tejido fundamental como del tejido vascular. Otras parecen controlar el ritmo al que se forman las células meristemáticas, produciendo meristemos apicales que son de 2 a 1.000 veces mayores que los meristemos normales o apicales que sólo funcionan durante un periodo de tiempo corto antes de desaparecer. Las mutaciones también pueden dar lugar a la ausencia de crecimiento en el vástago o en la raíz. Al estudiar estas mutaciones, los botánicos aprenden con mayor precisión la forma en que los genes dirigen el crecimiento primario de raíces y vástagos.

El meristemo apical da origen al meristemo primario, el cual produce el tejido primario Anteriormente nos hemos referido a los tipos básicos de células y sistemas de tejido vegetales. Ahora examinaremos brevemente la relación que éstos tienen con las regiones de división celular conocidas como meristemos primarios, que producen los tejidos del cuerpo vegetal primario (Figura 3.15). Los meristemos apicales de la raíz y del vástago dan lugar a los meristemos primarios conocidos como protodermis, procámbium y meristemo funda-

Capítulo 3

18/11/05

16:41

Página 75

CAPÍTULO 3

Meristemo apical

Figura 3.15.

◆

Introducción a la estructura de las plantas

Meristemo primario

Tejidos primarios

Protodermis

Epidermis (sistema de tejido dérmico)

Meristemo fundamental

Tejidos fundamentales (parénquima, colénquima y esclerénquima) (sistema de tejido fundamental)

Procámbium

Xilema primario y floema primario (sistema de tejido vascular)

75

Aspectos generales de los meristemos y tejidos primarios.

mental. La protodermis produce el sistema de tejido dérmico primario o epidermis. El procámbium produce el sistema de tejido vascular primario, que consiste en el xilema y el floema. El meristemo fundamental produce el sistema de tejido fundamental, que corresponde a las partes del vegetal que no presentan ni tejido conductor ni tejido dérmico. Las células producidas por los meristemos primarios se alargan y se convierten en células diferenciadas que conforman el tejido primario. En el próximo capítulo veremos cómo los meristemos apicales y los primarios generan el nuevo crecimiento.

El crecimiento secundario de los meristemos laterales proporciona un mayor grosor a la raíz y al tallo Muchos de los vegetales que viven más de un período vegetativo son plantas leñosas, como los árboles y los arbustos. Lo que hace que estos vegetales sean leñosos es el desarrollo de los meristemos laterales, también conocidos como meristemos secundarios, que son los responsables del ensanchamiento del tallo y de la raíz (véase Figura 3.12). Los meristemos laterales son capas unicelulares de células meristemáticas que forman cilindros que se extienden a lo largo del tallo o de la raíz. En un principio, dichas células meristemáticas eran células del parénquima que se convirtieron en células meristemáticas no diferenciadas. Cada meristemo lateral produce nuevo crecimiento tanto hacia el interior como hacia el exterior del cilindro, ensanchando así el tallo o la raíz. Este crecimiento en grosor producido por los meristemos laterales se denomina crecimiento secundario. El crecimiento secundario es típico de las Coníferas y otras Gimnospermas, así como de las Dicotiledóneas, pero es un crecimiento atípico en las Monocotiledóneas. En el Capítulo 5 veremos más detalladamente cómo los meristemos laterales producen el crecimiento secundario.

Algunas plantas viven durante un período vegetativo, mientras que otros viven durante dos o más Las plantas que poseen un crecimiento secundario significativo se conocen ordinariamente con el nombre de plantas leñosas, mientras que aquellas cuyo crecimiento secundario es escaso o inexistente reciben el nombre de plantas herbáceas. Las plantas leñosas, como los árboles y arbustos, al igual que las herbáceas, pueden vivir durante más de un período vegetativo. Sin embargo, aunque los meristemos permiten que se produzca el crecimiento indeterminado, los vegetales no viven eternamente. Dependiendo de cuánto tiempo vivan, pueden clasificarse en tres grupos diferentes, normalmente según los períodos vegetativos: anuales, bienales y perennes (Figura 3.16). Una planta anual es aquella que completa su ciclo vital durante un único período vegetativo, que en algunos casos puede ser inferior a un año. Las plantas anuales, que son típicamente herbáceas, necesitan ser replantados cada período vegetativo a partir de semillas o esquejes. Las caléndulas, las judías y el maíz son ejemplos de plantas anuales. Muchas plantas anuales que crecen en climas con inviernos fríos pueden crecer durante muchos años en climas tropicales y subtropicales. Una planta bienal es aquella que normalmente requiere dos períodos vegetativos para completar su ciclo vital. El crecimiento primario del tallo, las hojas y la raíz tiene lugar durante el primer período. Durante el segundo período, el vegetal produce flores, semillas y muere. Los vegetales bienales son herbáceos, como por ejemplo las zanahorias, remolachas y coles. La mayoría de los jardineros no son testigos del segundo período vegetativo, pues recogen los vegetales durante el primer año. Una planta perenne es aquella que crece durante muchos años. Pueden florecer cada año o sólo al cabo de bastantes años. La mayoría de las plantas perennes son plan-

Capítulo 3

18/11/05

76

(a)

16:41

Página 76

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

(b)

Figura 3.16.

(c)

Clasificación de las plantas según su longevidad.

Las plantas se clasifican como anuales, bienales o perennes, dependiendo del tiempo de vida y del momento de reproducción. (a) Los girasoles son un buen ejemplo de plantas anuales. No sobreviven al invierno, y los nuevos ejemplares crecen a partir de las semillas en la siguiente temporada. (b) La dedalera es un típico vegetal bienal en el que las flores aparecen durante el segundo año de crecimiento. El primer año de crecimiento es vegetativo. (c) Los árboles son plantas leñosas perennes. Esta fotografía muestra un árbol de hoja caduca que pierde sus hojas cada temporada.

tas leñosas, como los árboles, pero en este grupo también se incluyen plantas herbáceas como los lirios o muchas Gramíneas. En cualquier caso, suficiente parte del vegetal sobrevive al invierno para regenerarse durante la siguiente primavera.

Repaso de la sección 1. ¿En qué se diferencia el crecimiento vegetal del crecimiento animal? 2. ¿Cómo influye el meristemo apical del vástago en la forma del vegetal? 3. ¿En qué se diferencia el crecimiento primario del crecimiento secundario? ¿Qué son las plantas herbáceas? 4. ¿Qué diferencia hay entre vegetales anuales, bienales y perennes?

Capítulo 3

18/11/05

16:41

Página 77

CAPÍTULO 3

◆

Introducción a la estructura de las plantas

77

RESUMEN Principales tipos de células vegetales El crecimiento vegetal se origina en los meristemos, grupos de células no diferenciadas que se pueden dividir infinitamente, permitiendo que un vegetal continúe creciendo durante toda su vida. Los tres tipos básicos de células diferenciadas son las células del parénquima, células del colénquima y células del esclerénquima. Las células del parénquima son el tipo más común de célula viva diferenciada (pág. 57) Las células del parénquima suelen ser esféricas, cúbicas o alargadas, con una pared primaria delgada y carentes en general de pared secundaria. Estas células se mantienen vivas durante su etapa madura y participan en la fotosíntesis y en las labores de reserva. Las células del colénquima confieren un sostén flexible (págs. 58-59) Las células del colénquima pueden tener diferentes formas, carecen de pared secundaria y poseen una pared primaria más gruesa que las células del parénquima. Estas células se mantienen vivas durante su etapa madura. Tanto las células del parénquima como las del colénquima deben estar llenas de agua para encontrarse lo suficientemente turgentes y proporcionar sostén. Las células del esclerénquima confieren un sostén rígido (págs. 59-60) Las células del esclerénquima suelen morir al alcanzar la madurez. Poseen pared secundaria, la mayoría de las veces endurecida con lignina. Pueden proporcionar sostén sin necesidad de estar llenas de agua. Existen dos tipos principales: fibras y esclereidas.

Estructura histológica del cuerpo de una planta vascular Un tejido, o grupo de células que realiza una función, puede ser simple (un tipo de células) o complejo (varios tipos de células).

red celular. La mayor parte del xilema de las plantas con flores también posee elementos de los vasos, que conducen el agua con mayor rapidez. En las plantas con flores, el floema está formado por los elementos de los tubos cribosos, que forman tubos cribosos. El floema de las plantas vasculares sin flores presenta filas de células cribosas superpuestas. El tejido fundamental suele originarse entre el tejido dérmico y el tejido vascular (pág. 67) El tejido fundamental rellena el espacio que no está ocupado por el tejido dérmico o el vascular, realiza la fotosíntesis y almacena nutrientes.

Introducción a los órganos de una planta vascular Un órgano es un grupo de varios tipos de tejido que en conjunto realizan ciertas funciones. Los órganos vegetales son el tallo, las hojas y las raíz. El tallo dispone las hojas para optimizar la fotosíntesis (pág. 67) El tallo sostiene las hojas y las estructuras reproductoras, transporta agua y nutrientes, y protege la planta. Las hojas participan en la fotosíntesis y en la transpiración (págs. 67-69) Las hojas son el principal órgano fotosintético. A través de la transpiración, originan la mayor parte de la presión que mueve el agua a lo largo del vegetal. La raíz ancla el vegetal al tiempo que absorbe agua y minerales (pág. 69) La raíz absorbe agua y minerales a través de los pelos radicales. El sistema vascular es continuo entre la raíz, el tallo y las hojas.

El sistema de tejido dérmico conforma la cobertura protectora externa de la planta (págs. 61-63) Una capa única de epidermis se sustituye durante el segundo año de crecimiento por la peridermis, compuesta fundamentalmente por células no vivas. Las células dérmicas pueden convertirse en tricomas, que tienen forma de pelo. El tejido dérmico superficial suele producir una capa protectora de cera llamada cutícula.

Introducción al crecimiento y desarrollo de los vegetales

El tejido vascular conduce agua, minerales y nutrientes (págs. 63-67) El sistema de tejido vascular consiste en dos tejidos complejos: el xilema (para transportar agua y minerales) y el floema (para transportar alimentos). El xilema contiene traqueidas, que se alinean para conducir agua a través de las punteaduras de la pa-

El embrión da lugar al tallo, hojas y raíz de una planta con semillas adulta (págs. 70-71) El embrión de una planta con semillas suele contener uno o dos cotiledones («hojas embrionarias»), una radícula («raíz» embrionaria), una plúmula («vástago» embrionario), un epicótilo y un hipocótilo (partes del «tallo» embrionario). Una semilla puede

Una planta típica posee un sistema radical (normalmente subterráneo) y un sistema de vástagos (normalmente superficial), el cual comprende todos los tallos, hojas y estructuras reproductoras.

Capítulo 3

18/11/05

78

16:41

Página 78

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

encontrarse en estado de dormancia antes de la germinación. Las Monocotiledóneas tienen un solo cotiledón, mientras que las Dicotiledóneas poseen dos. Los meristemos permiten que el vegetal continúe creciendo durante toda su vida (págs. 71-72) El crecimiento animal es determinado, puesto que cesa al alcanzar la edad adulta. Los meristemos permiten que un vegetal crezca durante toda su vida, lo que recibe el nombre de crecimiento indeterminado. El meristemo apical promueve el crecimiento primario, que otorga longitud a la raíz y al vástago (págs. 72-74) El crecimiento primario (crecimiento en longitud) se origina en los meristemos apicales de las puntas de la raíz y el vástago. Las hojas se forman en los meristemos apicales del vástago bajo la forma de primordios foliares. Cada hoja madura se une al tallo por medio de un pecíolo en un punto denominado nudo. Los entrenudos son las secciones del tallo que se encuentran entre las hojas. La auxina suprime el crecimiento de la yema axilar cerca del meristemo apical. Los meristemos apicales pueden generar estructuras reproductoras. Los botánicos investigan el modo en que los genes controlan la formación de un meristemo apical (pág. 74) Las mutaciones genéticas pueden incrementar, reducir o impedir el crecimiento del tejido fundamental, del tejido vascular, de los meristemos apicales y de los órganos. El meristemo apical da lugar al meristemo primario, el cual produce el tejido primario (págs. 74-75) La protodermis produce tejido dérmico, el procámbium produce tejido vascular y el meristemo fundamental produce tejido fundamental. El crecimiento secundario de los meristemos laterales proporciona un mayor grosor a la raíz y al tallo (pág. 75) El crecimiento secundario, que es exclusivo de las plantas leñosas, es común en las Gimnospermas y las Dicotiledóneas, pero atípico en las Monocotiledóneas. Algunas plantas viven durante un período vegetativo, mientras que otras viven durante dos o más (págs. 75-76) Las plantas anuales viven durante un período vegetativo, las bienales durante dos períodos, y las perennes durante muchos años. Los anuales y los bienales son plantas herbáceas (no leñosas), mientras que los perennes son plantas leñosas, aunque pueden incluir muchas herbáceas.

Cuestiones de repaso 1. ¿Cuál es la función de las células meristemáticas y en qué se diferencian de otras células?

2. Describe las características de las células del parénquima, células del colénquima y células del esclerénquima. 3. ¿En qué se diferencian los tejidos simples de los complejos? 4. ¿Cuál es la función y la estructura básica del sistema de tejido dérmico? 5. ¿Qué son los tricomas? 6. ¿Qué tejidos forman el sistema de tejido vascular y cuál es la función de cada uno de ellos? 7. Compara y contrasta las traqueidas y los elementos de los vasos. 8. ¿En qué se diferencian las células conductoras de agua de las células que transportan nutrientes o alimentos? 9. Compara y contrasta los elementos de los tubos cribosos y las células cribosas. 10. ¿Cuáles son las funciones del sistema de tejido fundamental? 11. Define el término órgano e identifica las principales funciones de cada órgano vegetal. 12. ¿Qué queremos decir cuando afirmamos que el sistema vascular de una planta es continuo? 13. Describe las partes del embrión de una planta con semillas común. 14. ¿Qué son las Monocotiledóneas y las Dicotiledóneas? 15. ¿Cómo influye un meristemo apical en el crecimiento de una planta? 16. Describe la estructura superficial de una planta. 17. ¿En qué se diferencia el crecimiento primario del secundario? 18. ¿Cuál es la diferencia entre anual, bienal y perenne?

Cuestiones para reflexionar y debatir 1. ¿Pueden los meristemos hacer inmortal a un vegetal? Justifica tu respuesta. 2. Si las células diferenciadas no pudiesen volver a convertirse en células meristemáticas, ¿qué efecto tendría esto en un vegetal? 3. ¿Por qué crees que los compuestos que repelen a los depredadores están localizados en el interior de los finísimos pelos que a menudo presentan las hojas y no en el interior de las hojas en sí? 4. ¿Por qué crees que las células que transportan nutrientes son células vivas, mientras que las células que transportan agua están muertas y huecas? 5. ¿Por qué piensas que los elementos de los vasos no se desarrollaron en las Gimnospermas, las cuales incluyen los vegetales de mayor tamaño? 6. Explica por qué es incorrecto decir que el xilema equivale a las arterias humanas y el floema a las venas humanas. 7. ¿Podría decirse que el embrión de una planta con semillas es como un vegetal en miniatura? Razona tu respuesta. 8. ¿Por qué piensas que las plantas anuales y perennes se pueden encontrar en el mismo entorno?

Capítulo 3

18/11/05

16:41

Página 79

CAPÍTULO 3

9. Al examinar una delgada sección transversal de tejido vegetal, es difícil distinguir los vasos pequeños de las traqueidas. Sin embargo, estos dos tipos de células se distinguen con facilidad en una sección longitudinal. Dibuja un diagrama con sus correspondientes leyendas de una traqueida y de un vaso del mismo diámetro, vistos en sección transversal y en sección longitudinal. Subraya las diferencias entre una vista y otra.

Conexión evolutiva ¿Bajo qué condiciones medioambientales y en qué tipo de hábitat crees que habría favorecido la selección natural a un vegetal con a) un ciclo de vida anual? b) un ciclo de vida perenne?

Para saber más Duke, James A., y Steven Foster. A Field Guide to Medicinal Plants and Herbs of Eastern and Central North America. Bos-

◆

Introducción a la estructura de las plantas

79

ton: Houghton Mifflin, 2000. Una fascinante guía de campo que explora una gran variedad de hierbas endémicas con gran potencial medicinal. Esau, Katherine. Anatomía de las plantas con semilla. Buenos Aires: Hemisferio Sur, 1982. Este clásico es esencial para conocer la Anatomía Vegetal moderna. Hogan, Linda, y Brenda Peterson. The Sweet Breathing of Plants: Women Writing on the Green World. Nueva York: North Point Press, 2002. El segundo volumen es una trilogía sobre las mujeres y el mundo natural, que contiene poemas y ensayos sobre el papel que otorgan las mujeres al mundo vegetal en la naturaleza y en la sociedad. West, Keith. How to Draw Plants: The Techniques of Botanical Illustration. Portland, OR: Timber Press, 1996. Este libro está repleto de trucos y maneras creativas para ilustrar vegetales. Wilson, Edward O., y Burkhard Bilger. The Best American Science & Nature Writing, 2001. Boston: Houghton Mifflin, 2001. Esta antología anual destaca diversos estilos de la escritura de la naturaleza.

Portadillas

25/11/05

10:50

Página I

Capítulo 4

18/11/05

16:43

Página 81

4 La raíz, el tallo y las hojas: el cuerpo vegetal primario

Originaria de América Central, Gunnera insignis es conocida popularmente como la sombrilla del pobre.

La raíz Un sistema radical axonomorfo o primario penetra más profundamente en el suelo que un sistema radical fasciculado El desarrollo de la raíz se produce cerca del ápice de la misma La cofia, caliptra o pilorriza protege el meristemo apical de la raíz y la ayuda a penetrar en el suelo La absorción de agua y minerales se produce fundamentalmente a través de los pelos radicales La estructura primaria de la raíz se debe a su labor de obtención de agua y minerales disueltos Algunas raíces poseen funciones especializadas, además de anclar la planta y absorber agua y minerales

Las raíces establecen relaciones cooperativas con otros organismos

El tallo Los botánicos han desarrollado la teoría de zonación y la teoría túnica-cuerpo para describir el crecimiento del tallo

Las hojas Un primordio foliar se desarrolla mediante división, crecimiento y diferenciación celulares hasta convertirse en una hoja La epidermis de la hoja proporciona protección, además de regular el intercambio de gases

En el crecimiento primario de la mayoría de los tallos, el tejido vascular forma haces El mesófilo, tejido fundamental de las hojas, se encarga de llevar a cabo la fotosíntesis independientes Una región de transición asegura la continuidad vascular entre raíz y tallo

El tejido vascular de una hoja se dispone en forma de nervios

Los primordios foliares se originan en los laterales del meristemo apical del vástago, según un patrón específico

La forma y disposición de las hojas obedecen a causas medioambientales

Las variaciones en el tallo reflejan las diferentes tendencias evolutivas Algunos tallos poseen funciones especializadas, además del sostén y la conducción

La zona de abscisión se origina en el pecíolo de una hoja caduca Algunas hojas poseen funciones especializadas, además de la fotosíntesis y la transpiración

Capítulo 4

18/11/05

82

16:43

Página 82

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

al y como vimos en el Capítulo 3, el crecimiento producido por los meristemos apicales en las puntas del vástago y de la raíz da lugar a lo que llamamos cuerpo vegetal primario. La raíz, el tallo, las hojas y las estructuras reproductoras de los vegetales se derivan originariamente de los meristemos apicales. Incluso los meristemos laterales, responsables del crecimiento secundario, que posibilita que los troncos y raíces leñosas se ensanchen, están formados por células producidas en los meristemos apicales. A continuación, nos centraremos en el crecimiento primario de la raíz, el tallo y las hojas, y analizaremos el desarrollo y la función de estos órganos en las plantas vasculares. Las plantas vasculares que viven durante un año o dos años, llamadas anuales o bienales, sólo presentan crecimiento primario. Las plantas que viven más tiempo, llamadas perennes, presentan nuevo crecimiento primario cada año, alargando así sus vástagos y raíces y sustituyendo el tejido dañado o muerto. A pesar de que muchas plantas perennes, como los árboles y arbustos, presentan crecimiento secundario, muy pocos árboles, como las palmeras, presentan sólo crecimiento primario. Esto significa que dichos vegetales carecen de meristemos laterales o secundarios. En cierto sentido, el crecimiento primario equivaldría a poder desplazarse de un lugar a otro. Las plantas no pueden moverse por su entorno como los animales, pero pueden crecer a su alrededor para obtener todo aquello que necesitan. Las raíces absorben agua y nutrientes minerales creciendo a través del suelo, desplazándose desde regiones donde los recursos se han agotado hacia otras con nuevos recursos. Entretanto, el tallo y las hojas crecen hacia lugares con mayor iluminación para adquirir la energía solar necesaria para la fotosíntesis. El crecimiento de la raíz, el tallo y las hojas está interrelacionado. Por ejemplo, las plántulas poseen normalmente más raíces que vástagos, puesto que, aunque una semilla germinante contiene un suministro de nutrientes, necesita agua para la elongación y desarrollo del vástago fotosintético. A medida que la fotosíntesis se convierte en la principal fuente de energía del vegetal, la proporción raíz-vástago varía. Durante la vida de un vegetal, la proporción entre el vástago y la raíz cambia según sea necesario, de manera que la luz y el CO2 recogidos por las hojas La venus atrapamoscas es un espectacular penetran en el vegetal proporcionalmente al agua y los miejemplo de adaptación foliar. nerales recogidos por la raíz. Los cambios evolutivos han dado lugar a raíces, tallos y hojas modificados que han contribuido a la supervivencia del vegetal en diversos medios. Por ejemplo, la raíz y el tallo engrosados de algunas plantas han evolucionado con el fin de contener reservas de agua, lo que les ayuda a sobrevivir a sequías, períodos secos o climas secos. La raíz y el tallo también pueden almacenar nutrientes, produciendo reservas que pueden utilizarse cuando hay una disminución de la fotosíntesis debido a la falta de luz o a daños en las hojas producidos por el viento, el frío, una enfermedad o una conducta predatoria. En algunas ocasiones, las hojas modificadas desempeñan funciones muy peculiares, como es el caso de la venus atrapamoscas, que «come» insectos para compensar la ausencia de nitrógeno en el suelo. En resumen, la raíz, el tallo y las hojas no funcionan de manera individual, sino que trabajan juntos; no sólo para producir, transportar y almacenar nutrientes, sino también para proporcionar sostén estructural y protección al vegetal. A la vez que analizamos lo que hace que cada uno de estos órganos sea único, veremos cómo se relacionan y cómo dependen del resto.

T

Capítulo 4

18/11/05

16:43

Página 83

CAPÍTULO 4

La raíz Las principales funciones de la raíz son las de anclar el vegetal y absorber y conducir agua y minerales. La raíz debe transportar agua y minerales hacia el tallo y las hojas, a la vez que recibe moléculas orgánicas que proceden de éstos. Además de la absorción y la conducción, la raíz produce hormonas y otras sustancias que regulan el desarrollo y la estructura del vegetal. A continuación, veremos con más detalle cómo la raíz lleva a cabo estas funciones.

Un sistema radical axonomorfo o primario penetra más profundamente en el suelo que un sistema radical fasciculado Existen dos modelos diferentes de crecimiento radical: el sistema radical axonomorfo o primario y el sistema radical fasciculado o fibroso. La mayoría de las Dicotiledóneas y Gimnospermas presentan un sistema radical axonomorfo, que consiste en una gran raíz axonomorfa, cuya función es la de «explotar» fuentes de agua a gran profundidad (Figura 4.1a). La raíz axonomorfa se desarrolla directamente a partir de la radícula (raíz embrionaria) y produce raíces ramificadas llamadas raíces laterales o secundarias. Éstas a su vez se ramifican, lo que da lugar a un amplio sistema radical. La raíz axonomorfa suele penetrar muy profundamente, luego es muy conveniente para vegetales que cada año son mayores, como los árboles. Sin embargo, no todos los sistemas radicales axonomorfos penetran a gran profundidad. Algunos árboles de

◆

La raíz, el tallo y las hojas: el cuerpo vegetal primario

gran tamaño, como las Coníferas, poseen sistemas radicales axonomorfos poco profundos, algo que sucede con frecuencia en las montañas, pues el suelo es poco profundo y hay abundancia de rocas. Tampoco un vegetal con un sistema radical axonomorfo tiene por qué ser grande. Muchas plantas pequeñas presentan un sistema radical axonomorfo, en particular aquéllas que necesitan sobrevivir largos períodos de tiempo sin precipitaciones. Por ejemplo, el diente de león común tiene una raíz axonomorfa única que puede medir 30 centímetros o más de longitud. Las plantas vasculares sin semillas y la mayoría de las Monocotiledóneas, como las Gramíneas, poseen un sistema radical fasciculado (Figura 4.1b). En lugar de tener una gran raíz axonomorfa desarrollada a partir de la radícula, esta radícula o raíz embrionaria muere pronto, y surgen numerosas raíces desde la parte inferior del tallo. Éstas son raíces adventicias, pues no se originan en el lugar habitual, es decir, no provienen de otras raíces. En un sistema radical fasciculado, no existe una raíz que sobresalga por su mayor longitud. Cada raíz adventicia forma raíces laterales, dando lugar a un sistema que generalmente es menos profundo y más horizontal que un sistema radical axonomorfo. Esta estructura poco profunda permite que las raíces obtengan agua rápidamente antes de que se evapore. Es un sistema radical muy común en regiones secas, donde las capas del suelo más profundas pueden carecer de humedad. Asimismo, es fácil encontrarlo en vegetales que no crecen más de un período vegetativo, como el maíz. El sistema radical axonomorfo y el radical fasciculado representan dos estrategias diferentes para obtener agua, la cual es escasa en muchos lugares.

Figura 4.1.

(b)

(a)

83

Sistema radical axonomorfo o primario y sistema radical fasciculado.

(a) En un sistema radical axonomorfo, como en el caso de este diente de león, las raíces laterales se ramifican a partir de una mayor conocida como raíz axonomorfa. Este sistema es propio de la mayoría de las Dicotiledóneas y Gimnospermas. (b) Un sistema radical fasciculado carece de raíz primaria y suele ser poco profundo. El sistema radical fasciculado es común en la mayoría de las Monocotiledóneas y plantas vasculares sin semillas.

18/11/05

84

16:43

Página 84

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

Normalmente, entre el 50% y el 90% de la raíz de un vegetal se localiza en los primeros 30 centímetros de profundidad del suelo, aunque tanto el sistema radicular axonomorfo como el fasciculado pueden penetrar a mayor profundidad. Por ejemplo, entre las plantas de cultivo, la raíz de la patata puede alcanzar una profundidad de 90 centímetros, mientras que el sistema radicular fasciculado del trigo, de la avena y de la cebada puede variar entre 90 centímetros y 1,8 metros. En el transcurso de operaciones de perforación y excavación de pozos, se han llegado a encontrar raíces de árboles desérticos de hasta 67 metros de profundidad, si bien este tipo de descubrimientos son de carácter excepcional. Incluso la raíz de una planta herbácea pequeña puede extenderse en un radio de hasta 90 centímetros alrededor del tallo. De hecho, la mayoría de vegetales desérticos posee un amplio sistema radical superficial, en lugar del sistema radical extre-

madamente profundo que hemos citado. Además, en un amplio sistema radical, la longitud total del conjunto de raíces puede ser bastante grande en comparación con la parte del vegetal superficial o que está sobre el nivel del suelo. Por ejemplo, una sola planta de maíz puede llegar a tener casi 457 metros de raíces. En ocasiones, el sistema radical de un vegetal puede pesar tanto como el tallo y las hojas juntos.

El desarrollo de la raíz se produce cerca del ápice de la misma En la Figura 4.2a se muestra la estructura básica de una raíz. Tanto si una raíz es larga como si es corta, su crecimiento (al igual que el crecimiento de un tallo) comienza con la división celular en el meristemo apical cerca de la punta. Como ya sabemos, lo que hace de un meristemo una «fuente de ju-

Epidermis

Estela

Córtex

Protodermis Meristemo fundamental Procámbium Centro quiescente

Cofia, caliptra o pilorriza

Meristemo apical de la raíz

Vaina del mucigel (a)

Figura 4.2.

Zona de elongación

Pelo radical Pelos radicales

Zona de maduración

Raíz lateral

Zona meristemática (meristemos apical y primario)

Capítulo 4

Cofia, caliptra o pilorriza (b)

(c)

Meristemo apical de la raíz.

(a) Este dibujo representa los primeros milímetros de una raíz de Dicotiledónea. Muestra los pelos radicales que se forman en la zona de maduración. Más hacia arriba, comienzan a formarse las raíces laterales. (b) En esta fotomicrografía, se percibe perfectamente la caliptra. (c) El meristema apical de la raíz produce las células de la propia raíz y las de la caliptra. El meristemo apical de la raíz consiste en un centro quiescente de división celular lenta, rodeado de una estrecha región donde la división celular es más rápida. Justo debajo del meristemo apical radical se encuentran las regiones de mayor división celular: protodermis, procámbium y meristemo fundamental. Por encima de ellos se encuentran las regiones de elongación y maduración celulares. Cada región se fusiona gradualmente con la siguiente.

Capítulo 4

18/11/05

16:43

Página 85

CAPÍTULO 4

ventud» es una pequeña provisión de células divisibles llamadas iniciales. Las células iniciales de un meristemo apical de la raíz se localizan en el interior de un pequeño centro esférico en el meristemo, que suele tener un diámetro de 0,1 milímetro, donde las células se dividen a una velocidad relativamente lenta. En un meristemo apical de la raíz, esta área central denominada centro quiescente, que recibe su nombre del verbo latino para «descansar». Cuando una célula inicial se divide, una célula hija permanece como célula inicial en el meristemo apical y el resto se convierte en células derivadas, listas para el crecimiento y la diferenciación celulares. Si el meristemo apical se daña o destruye, sólo se necesitarían unas cuantas células iniciales y sus derivadas para reconstruirlo. Un experimento al respecto demostró que una vigésima parte del meristemo apical de una planta de patata bastaba para regenerar el meristemo entero. Cada célula de un meristemo apical parece tener un «mapa» de desarrollo que le permite reproducir la estructura al completo. La división celular en un meristemo apical de la raíz o del vástago produce las células derivadas que se convierten en los meristemos primarios: protodermis, meristemo fundamental y procámbium, que se originan a un milímetro o dos del propio meristemo apical. Como podremos recordar del Capítulo 3, la división celular de un meristemo primario produce las células que darán lugar a diversos tejidos. La protodermis, que da lugar a la epidermis, se desarrolla a partir de la parte externa del meristema apical. El meristemo fundamental, que produce el tejido fundamental, se encuentra en el interior de la protodermis. El procámbium, la fuente de tejido vascular primario, se encuentra en el interior del meristemo fundamental. Las células derivadas de estos tres meristemos primarios se dividen con mayor rapidez que las células iniciales del meristemo apical. Un estudio comprobó que las células de la protodermis, del meristemo fundamental y del procámbium se dividían cada 12 horas, mientras que las células iniciales se dividían una vez cada 180 horas. La división, crecimiento y diferenciación celulares de una raíz pueden explicarse siguiendo la disposición lineal de tres regiones superpuestas conocidas como zona meristemática o de división celular, zona de elongación y zona de maduración (Figura 4.2c). La zona meristemática consiste en el meristemo apical de la raíz y los tres meristemos primarios. La zona de elongación es el lugar donde las células derivadas interrumpen su división y comienzan a crecer en longitud. Esta zona se superpone con la zona meristemática, puesto que algunas células están todavía en pleno proceso de división mientras otras ya crecen

◆

La raíz, el tallo y las hojas: el cuerpo vegetal primario

85

longitudinalmente. La zona de elongación es el lugar de mayor crecimiento de la raíz, pues la elongación de las células hace que la raíz crezca hacia el interior del suelo. La zona de elongación se continúa con la zona de maduración, donde las células empiezan a especializarse en estructura y función, dando lugar, por ejemplo, a las células epidérmicas y las células conductoras. La zona de maduración es también el lugar donde algunas células epidérmicas forman pelos radicales. Por encima de la zona de maduración brotan las primeras raíces laterales.

La cofia, caliptra o pilorriza protege el meristemo apical de la raíz y la ayuda a penetrar en el suelo Un típico meristemo apical de la raíz produce una cofia, caliptra o pilorriza, que consiste en varias capas celulares (véase Figura 4.2b). La caliptra protege las células del meristemo apical de la raíz a medida que la raíz se abre paso entre las partículas del suelo. En tanto la raíz crece, las células de la caliptra se van deteriorando y mueren. Entonces, son desechadas y sustituidas por nuevas células. Las células externas de la caliptra producen un polisacárido viscoso llamado mucigel, que lubrica el paso de la raíz a través del suelo. Toda célula vegetal posee la capacidad genética de producir mucigel, pero normalmente sólo las de la cofia hacen patente dicho potencial. En el interior de cada célula de la cofia, esta sustancia se envasa y se transporta en las vesículas del aparato de Golgi, que se fusionan entonces con la membrana celular para liberarla.

La absorción de agua y minerales se produce fundamentalmente a través de los pelos radicales Es básicamente en la zona de maduración, justo por encima de la zona de elongación, donde la raíz produce las células epidérmicas denominadas pelos radicales (Figura 4.2). Dichas células se especializan en absorber agua y minerales del suelo, por eso suelen aparecer a uno o dos centímetros de la superficie. A medida que la raíz crece, mueren los pelos radicales más antiguos y nacen nuevos en cada nueva zona de maduración. La mayor parte de la importante absorción de agua y minerales se produce a través de los pelos radicales, incluso en árboles de gran tamaño. En los vegetales con un sistema radical axonomorfo, los pelos radicales pueden aparecer a una profundidad considerable. Puede que las raíces de un sistema radical fasciculado no sean profun-

Capítulo 4

18/11/05

86

16:43

Página 86

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

das, pero se encuentran muy extendidas, de manera que los pelos radicales no están cerca de la base del vegetal. Por este motivo, regar una planta durante un corto período de tiempo donde el tallo se adentra en el suelo resulta ineficaz si lo que se pretende es hacer llegar agua a la planta.

La estructura primaria de la raíz se debe a su labor de obtención de agua y minerales disueltos Los botánicos examinan la estructura de la raíz y del tallo, seccionando dichos órganos en diversos planos y analizando las finas secciones resultantes con la ayuda de un microscopio. Un corte horizontal en ángulo recto al eje longitudinal se denomina sección transversal. Al examinar secciones transversales de una gran variedad de plantas vasculares, los botánicos han identificado la disposiEpidermis

ción característica del tejido vascular y del fundamental. Como comprobaremos más adelante, el tejido vascular y el fundamental de un tallo presentan normalmente una disposición más compleja que los de la raíz. Evidentemente, en una vista tridimensional, los tejidos forman cilindros. El cilindro central de una raíz o de un tallo rodeado de córtex recibe el nombre de estela (del término griego que significa «pilar»). La mayoría de las raíces presentan el tipo más sencillo de estela, que también es el primero en evolucionar, conocido como protostela (del griego proto, que significa «antes»). En toda protostela, el tejido vascular forma un sólido cilindro central que está rodeado de córtex, pero la disposición del tejido vascular puede variar. En la mayoría de las raíces de Dicotiledóneas y Coníferas, una sección transversal de protostela muestra la existencia de sólidos dientes o lóbulos de xilema, entre los que existe floema (Figura 4.3a). En la mayoría de las raíces de Monocotiledóneas, la estela presenta

Córtex

Epidermis

Córtex

Endodermis

Endodermis

Periciclo

Periciclo

Floema

Floema

Xilema

Xilema Células parenquimáticas

Epidermis

Epidermis

Cilindro vascular

Cilindro vascular

Córtex

Córtex Floema

Endodermis

Xilema

Xilema Floema

Endodermis Periciclo

Células parenquimáticas

Periciclo MET

200 µm (a) La mayoría de las raíces de Dicotiledóneas y Coníferas tienen un núcleo de xilema con un número variable de lóbulos.

Figura 4.3.

MET

500 µm (b) En la mayoría de las raíces de Monocotiledóneas, un núcleo de células no diferenciadas está rodeado de anillos alternos de xilema y floema.

Estructura primaria de la raíz.

(a) La mayoría de las raíces posee una protostela o cilindro central sólido de tejido vascular. En toda raíz primaria, el tejido vascular primario está rodeado de una o más capas de periciclo, a las que se superpone una capa de endodermis. (b) Las raíces de las Monocotiledóneas poseen una estela con anillos de xilema y floema que rodean un núcleo parenquimático.

Capítulo 4

18/11/05

16:43

Página 87

CAPÍTULO 4

células parenquimáticas en el centro, rodeadas de franjas alternas de xilema y de floema (Figura 4.3b). Los botánicos que estudian la raíz de los vegetales fósiles han sugerido que el tejido del centro de la estela en las Monocotiledóneas son simplemente células de parénquima que no pudieron convertirse en tejido conductor. Aunque, a veces, estas células reciben el nombre de médula debido a su localización, no son parte del tejido fundamental, puesto que se originan a partir del procámbium y no del meristemo apical. En la raíz de la mayoría de las plantas con semillas, hay dos capas celulares importantes que rodean la estela, llamadas periciclo y endodermis. El periciclo es la capa más próxima que rodea la estela. Consiste en células meristemáticas que dan lugar a las raíces laterales, también conocidas como raíces secundarias (Figura 4.4). Como las raíces laterales se originan a partir del periciclo, crecen a través del córtex y de la epidermis, desplazando dichos tejidos para llegar al exterior. El xilema y el floema de cada

La raíz, el tallo y las hojas: el cuerpo vegetal primario

◆

87

raíz lateral son una continuación del tejido vascular de la raíz madre y poseen por ello la misma estructura. Si la función primera del periciclo es la de producir raíces secundarias, la función de la endodermis es regular el flujo de sustancias entre el córtex y el tejido vascular (Figura 4.5a). La endodermis se desarrolla a partir de la capa más interna del córtex y consiste en una capa única de células apiñadas que rodea el periciclo. A su vez, cada célula endodérmica está rodeada por 4 de sus 6 lados de una banda de Caspary, compuesta de suberina y ocasionalmente de lignina, que impregna las paredes celulares y sella el espacio intercelular. Las caras de las células endodérmicas que dan al exterior y al interior carecen de banda de Caspary (Figura 4.5b). De esta manera, la banda de Caspary fuerza el agua y los minerales a atravesar las membranas celulares y el citoplasma de las células endodérmicas, en lugar de pasar a través de las paredes celulares o entre ellas. De esta manera, las membranas celulares de la endodermis controlan el tipo y la cantidad de nu-

Epidermis

Cilindro vascular (estela)

Periciclo

Córtex Raíz lateral

Figura 4.4.

Brotación de una raíz lateral.

También conocidas con el nombre de raíces secundarias, las raíces laterales se originan en el periciclo de la raíz y crecen a través del córtex y de la epidermis. En esta serie de micrografías se muestra la brotación de una raíz lateral en un sauce. La vista de la misma raíz es una sección transversal, mientras que la vista de la raíz lateral es una sección longitudinal.

Capítulo 4

18/11/05

88

16:43

Página 88

UNIDAD UNO

◆

Agua y minerales

Estructura de las plantas

Epidermis

Córtex Estela Endodermis Pelos radicales Raíz Cofia, Agua y caliptra minerales o pilorriza

Pelo radicular

Periciclo

Agua y minerales

Banda de Caspary Pelo radicular Agua y minerales (a)

Figura 4.5.

Moléculas orgánicas (b)

Banda de Caspary

Endodermis.

(a) El agua y los minerales pueden atravesar las células de la epidermis y del córtex, pero deben atravesar las membranas celulares de la endodermis debido a la presencia de la banda de Caspary. (b) Esta vista de dos capas del cilindro endodérmico muestra cómo la banda de Caspary fuerza el agua y los minerales disueltos del suelo a atravesar las células endodérmicas en lugar de pasar alrededor o entre ellas.

trientes minerales que circulan entre el córtex y el tejido vascular. En una raíz en crecimiento, la primera capa de endodermis, con todas sus bandas de Caspary, comienza a mostrarse en la región de los pelos radicales. La endodermis y sus bandas de Caspary actúan en la región de pelos radicales en el extremo de la raíz, allá donde existe mayor absorción de minerales y agua.

Algunas raíces poseen funciones especializadas, además de anclar la planta y absorber agua y minerales Como ya sabemos, las principales funciones de la raíz son anclar la planta y darle sostén, y absorber agua y minerales. Sin embargo, en muchas plantas, las raíces modificadas han evolucionado de manera que cubren una enorme variedad de necesidades del vegetal, como la reproducción y la reserva de agua y nutrientes (Figura 4.6). Algunas raíces modificadas proporcionan al vegetal sostén o anclaje adicional. Entre ellas se encuentran las raíces aéreas, que son raíces adventicias que crecen a partir del tallo. Las raíces aéreas son frecuentes en los epífitos (del griego epi, «encima», y phyton, «planta»), vegetales que crecen encima de otros para obtener sostén, pero que se procuran su propio alimento. Las raíces aéreas de las orquídeas, una planta que a menudo crece como epifita

sobre los árboles, se agarran al vegetal y absorben agua y nutrientes de la lluvia que gotea a través de la cubierta vegetal que está por encima de ellas. Las raíces aéreas también pueden darse en otro tipo de vegetales. Las raíces aéreas del maíz, llamadas raíces zanco, sobresalen del tallo y se insertan en el suelo, ayudando al vegetal a anclarse y a ganar sostén. Muchos vegetales trepadores como la hiedra utilizan sus raíces aéreas para anclarse en una superficie vertical. Las raíces tabulares o contrafuertes son raíces de forma acampanada que se extienden desde el tronco del árbol, contribuyendo a estabilizar el vegetal de forma similar a la de los contrafuertes en los muros de una catedral medieval. Algunos árboles tropicales desarrollan enormes raíces tabulares o contrafuertes que los afianzan en el suelo débil que ocasionalmente se da en las regiones de los Trópicos. Las raíces contráctiles de los lirios y otros vegetales se encogen literalmente para introducir el vegetal más profundamente en el suelo. Algunas raíces modificadas están implicadas en la reproducción asexual, como los vástagos adventicios comúnmente llamados chupones, que se originan en la raíz y se abren paso a través del suelo para formar nuevos vástagos. El hecho de que una raíz produzca vástagos es algo normal en los vegetales. Por ejemplo, la asclepia o algodoncillo de Siria (Asclepias syriaca) también se propaga con la ayuda de vástagos radicales, al igual que lo

Capítulo 4

18/11/05

16:43

Página 89

CAPÍTULO 4

(a) Raíz aérea en una orquídea epífita. En las orquídeas epífitas, las raíces aéreas absorben el agua del aire.

(c) Raíz aérea trepadora. Las raíces adventicias trepadoras de la hiedra (Hedera helix) ayudan a anclar el vegetal en superficies verticales.

Raíces modificadas.

La raíz, el tallo y las hojas: el cuerpo vegetal primario

89

(b) Raíz aérea tipo zanco. En el maíz, las raíces aéreas son raíces zanco que ayudan a estabilizar el vegetal.

(d) Raíces tabulares o contrafuertes. Las raíces tabulares o contrafuertes de gran tamaño de ciertos árboles tropicales ayudan a estabilizar el vegetal en un suelo poco profundo.

(e) Neumatóforos (raíces aéreas). Los neumatóforos, como en el caso de este mangle blanco (Laguncularia racemosa), proporcionan oxígeno a las plantas que crecen en zonas pantanosas donde el agua puede estar desoxigenada.

Figura 4.6.

◆

(f ) Raíces de reserva. Ciertas plantas, como el perejil (Petroselinum hortense), almacenan agua y nutrientes en sus raíces.

Capítulo 4

18/11/05

90

16:43

Página 90

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

EL FASCINANTE MUNDO DE LAS PLANTAS Raíces parásitas Normalmente, el crecimiento primario en un vegetal produce tallos para alcanzar la luz, y raíces para alcanzar el agua y los minerales del suelo. No obstante, algunos vegetales con crecimiento primario han encontrado otros medios para procurarse la nutrición. El género Striga se compone de más de 40 especies, de las cuales prácticamente un tercio son parásitos de cultivos. Cada Striga es capaz de producir entre 50.000 y 500.000 semillas casi microscópicas que pueden germinar incluso después de más de una década. Tras la germinación, las plántulas deben agarrarse a una planta-huésped en menos de una semana. Las raíces de la plántula de Striga invaden la planta-huésped formando haustorios que penetran en las raíces de ésta. Cada haustorio obtiene nutrientes y agua directamente de la planta-huésped. La mayor parte del daño se produce bajo tierra, lo que da lugar a una importante reducción de la producción e incluso a una pérdida total del cultivo. Actualmente, existen tres especies de Striga que ocasionan estragos en los cultivos de cereales y legumbres de Asia y África. En general, las pérdidas de cultivos en África y parte de Asia son de un 40%, y superando el 70% en algunas áreas. El parásito infecta dos tercios de los cultivos de cereales en África, convirtiéndose así en el mayor freno para la producción agraria del Continente. Se han puesto en práctica algunas estrategias para intentar eliminar Striga, como la incorporación de genes de un maíz silvestre, Zea diploperennis, al maíz de cultivo, resistentes a la planta parásita Striga. Además, los científicos están sembrando leguminosas fijadoras de nitrógeno, lo que origina el «aborto» de las semillas de Striga durante su desarrollo. Otra estrategia es utilizar plantas-huésped con genes resistentes a herbicidas. De esta manera, las plantas-huésped pueden fumigarse para eliminar el parásito. Los científicos también están experimentando con hormonas que estimulan la germinación prematura de las semillas de Striga, destruyendo así el «banco de semillas» que se origina en el suelo como resultado de una germinación tardía. Asimismo, han descubierto en el norte de África un hongo (Fusarium oxysporum) que elimina a Striga, pero no aminora el creci-

Striga, un vegetal parásito de cultivos.

miento del sorgo o de otros cereales. La producción del sorgo aumentó hasta un 70% en los campos infectados por Striga que presentaban el hongo. Striga es una de las 3.000 especies de plantas parásitas con flores. Otro vegetal parásito es una especie del género Triphysaria, que infecta las raíces del mastuerzo común (Arabidopsis thaliana). Puesto que esta planta es una planta tipo para experimentación genética molecular, la interacción entre Triphysaria y Arabidopsis puede ayudar a aclarar las acciones moleculares del parasitismo vegetal. Los estudios científicos continúan para minimizar y con suerte eliminar el daño causado por los vegetales parásitos en los cultivos. Crecimiento de un haustorio en una raíz-huésped.

Capítulo 4

18/11/05

16:43

Página 91

CAPÍTULO 4

hace el árbol de sasafrás (Sassafras albidum) y la hierba conocida como euforbia o lechetrezna frondosa (Euphorbia escula). Los neumatóforos, o raíces aéreas, proporcionan oxígeno a aquellos vegetales que viven en áreas pantanosas, donde la elevada tasa de descomposición reduce el oxígeno del agua. El mangle y el ciprés calvo generan neumatóforos que sobresalen del agua para obtener oxígeno y sustentar la respiración. Otros tipos de raíces modificadas almacenan agua o nutrientes. Por ejemplo, la calabacilla loca (Cucurbita foetidissima) produce grandes raíces subterráneas que almacenan agua y pueden llegar a pesar 30 kilos o más. Las especies que crecen en lugares áridos tienden a almacenar agua en esta modalidad de raíces. Entre períodos vegetativos y al comienzo de un nuevo período para el inicio del nuevo crecimiento, muchos tipos de raíces (como la zanahoria, batata y remolacha azucarera) almacenan almidón o azúcar como fuente nutritiva para el vegetal. A lo largo de los años, los agrónomos y los agricultores han seleccionado vegetales individuales con gran capacidad de reserva como cultivos alimenticios. En la mayoría de los casos, las raíces relacionadas con la reserva de nutrientes presentan un tipo modificado de crecimiento secundario mediante el cual se forman meristemos adicionales en la raíz. Algunos vegetales, como el muérdago, han desarrollado raíces parásitas conocidas con el nombre de haustorios, que penetran en los tallos y raíces de otros vegetales para obtener agua, minerales y moléculas orgánicas. No ha de resultarnos extraño que una planta parásita denominado Striga se haya convertido en una plaga agraria de gran alcance. Todas las modificaciones radicales descritas anteriormente reflejan los cambios evolutivos que en distintos medios han tenido un resultado exitoso. Tal y como veremos más adelante, en este mismo capítulo, muchos vegetales han modificado también el tallo o las hojas para funciones adicionales. Las funciones de los órganos vegetales, que suelen asociarse, ponen de relieve el hecho de que la raíz, el tallo y las hojas se interrelacionan de manera estrecha para cubrir las necesidades del vegetal.

Las raíces establecen relaciones cooperativas con otros organismos A menudo, las raíces establecen asociaciones mutualistas o de beneficio mutuo con otros organismos. Las micorrizas (del griego mykos, «hongo», y rhiza, «raíz»), son asociaciones entre las raíces de una planta vascular y los hon-

◆

La raíz, el tallo y las hojas: el cuerpo vegetal primario

91

gos del suelo, manifiestas en un 80% de las especies. Los dos tipos principales de asociaciones son las endomicorrizas y las ectomicorrizas. En las endomicorrizas, los hongos penetran en la raíz del vegetal y producen estructuras ramificadas llamadas arbúsculos. Parte de estas micorrizas arbusculares presionan la zona externa de las membranas celulares vegetales para obtener nutrientes (Figura 4.7a). En las ectomicorrizas, los hongos no penetran en la raíz vegetal, sino que una red fúngica muy ramificada rodea la raíz produciendo una cobertura conocida como manto (Figura 4.7b). En ambos tipos de relaciones mutualistas, el vegetal incrementa la absorción de minerales como el fósforo y, consecuentemente, no tiene necesidad de producir tantos pelos radicales. El hongo también puede ayudar a proteger al vegetal del ataque de hongos nocivos y de nemátodos (lombrices). Por su parte, el hongo obtiene azúcar y otras moléculas orgánicas producidas por el vegetal. Es muy frecuente observar micorrizas (Figura 4.7c) en los vegetales fósiles, y éstas pueden haber sido substanciales en el establecimiento de las plantas vasculares en la tierra. Numerosos estudios han demostrado que las plántulas que crecen en tiestos lo hacen más rápido si existe una asociación mutualista con el hongo micorrícico adecuado. Igualmente, un transplante tendrá más éxito si ambos suelos presentan el hongo micorrícico adecuado. Algunos vegetales establecen también asociaciones con especies de bacterias que fijan nitrógeno, es decir, bacterias que convierten el nitrógeno del aire en amoníaco, que luego se añade a diversas moléculas orgánicas. Los vegetales pueden entonces obtener el nitrógeno fijado por estas bacterias e incorporarlo a sus aminoácidos, nucleótidos y otros compuestos vitales que contienen nitrógeno. Ésta es virtualmente la única ruta biológica mediante la cual el nitrógeno inorgánico puede introducirse en una cadena alimenticia. Los vegetales de la familia de las leguminosas o fabáceas son particularmente importantes para el ser humano, pues sus asociaciones mutualistas con bacterias fijadoras de nitrógeno enriquecen el suelo al incorporar este elemento. Este enriquecimiento es bastante importante, porque la recogida de la cosecha implica también la eliminación del suelo de nutrientes minerales, como los nitratos. En las leguminosas, las bacterias fijadoras de nitrógeno infectan las raíces, provocando que el vegetal desarrolle nódulos radicales en los que viven las bacterias. Los nitratos son liberados desde estos nódulos hacia el suelo. En el Capítulo 10 analizaremos con más detalle las bacterias que fijan el nitrógeno y sus asociaciones con los vegetales.

Capítulo 4

18/11/05

92

16:43

Página 92

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

Epidermis

Endodermis

Raíz

Banda de Caspary Vesícula

Forma externa del hongo

Córtex Arbúsculo TEM

(b) Las ectomicorrizas forman una cobertura en el exterior de la raíz.

(a) Penetración de endomicorrizas en un córtex radicular.

Figura 4.7.

Las micorrizas son asociaciones mutualistas de raíces y hongos.

Repaso de la sección 1. ¿En qué se diferencia un sistema radical axonomorfo de un sistema radical fasciculado? 2. Describe el desarrollo y la maduración celulares en las zonas cercanas al externo de la raíz. 3. ¿Cuáles son las funciones de la caliptra o pilorriza, el mucílago y los pelos radicales? 4. ¿Cuáles son las funciones del periciclo y de la endodermis? 5. Da algunos ejemplos de adaptación especializada en una raíz. 6. ¿Qué son las micorrizas y por qué son beneficiosas?

El tallo El tallo y las hojas son los órganos que normalmente un vegetal produce por encima de la tierra, y que constituyen el sistema del vástago. Tal y como vimos en el Capítulo 3, el conjunto de tallo y hojas recibe el nombre de vástago. El tallo dirige las hojas hacia la luz, evitando la sombra de otros vegetales o estructuras. Para soportar el peso de las hojas y contrarrestar la fuerza del viento, el tallo debe ser fuerte, sobre todo en árboles de gran longitud. El tallo

(c) Las ectomicorrizas de este pino se extienden por el suelo.

también debe conducir agua, minerales y moléculas orgánicas entre la raíz y las hojas. A continuación analizaremos la estructura primaria del tallo. Como ya sabemos, las hojas están unidas al tallo en los nudos y la porción del tallo que se extiende entre dos nudos recibe el nombre de entrenudo. En la mayoría de los vegetales, una yema axilar en estado de dormancia, que tiene el potencial de formar una rama, se localiza en la superficie superior del ángulo o axila, entre el tallo y el pecíolo foliar. Los nudos, entrenudos y las yemas axilares son algunos de los rasgos básicos que diferencian a un tallo (incluidos los tallos subterráneos) de la raíz y de las hojas. El crecimiento del tallo es más complejo que el de la raíz, pues el tallo no sólo crece en longitud, sino que también produce hojas y ramas axilares. El meristemo apical da lugar a los primordios foliares y yemas axilares en una rápida sucesión (Figura 4.8). Como los primordios foliares están muy próximos, en un primer momento los entrenudos son muy cortos. Si bien el crecimiento radical tiene lugar en una zona única de elongación cerca de la punta de la raíz, el tallo suele alargarse simultáneamente en varios entrenudos por debajo del meristemo apical del vástago. Algunos vegetales, entre los que se incluyen gramíneas como el trigo, presentan una región de células di-

Capítulo 4

18/11/05

16:43

Página 93

CAPÍTULO 4

◆

La raíz, el tallo y las hojas: el cuerpo vegetal primario

93

Los botánicos han desarrollado la teoría de zonación y la teoría túnica-cuerpo para describir el crecimiento del tallo

Figura 4.8.

Meristemo apical del vástago.

El meristemo apical del vástago en sí consiste en un grupo central de células de lenta división rodeado de una región estrecha con células de división más rápida. Esta sección longitudinal muestra los primordios foliares brotando a ambos lados del meristemo apical del vástago. A medida que el tallo crece, nacen nuevos primordios foliares a lo largo de los flancos del meristemo apical. Justo pasado el meristemo apical, en las regiones inferiores, se encuentran la protodermis, el procámbium y el meristemo fundamental, que presentan una mayor división celular. La elongación y la maduración celulares se producen por debajo de estas regiones.

visibles en cada entrenudo, conocida con el nombre de meristemo intercalar, que permite al tallo crecer rápidamente en toda su longitud.

Los botánicos han desarrollado dos modelos para explicar cómo el meristemo apical del vástago da origen a los meristemos primarios: protodermis, meristemo fundamental y procámbium. Estos modelos son la teoría de zonación y la teoría túnica-cuerpo. Ambas son muy rigurosas, aunque algunos vegetales parecen encajar mejor en una que en otra. La teoría de zonación describe el meristemo apical del vástago como una bóveda dividida en tres regiones: zona de células madre centrales, zona periférica y zona medular (Figura 4.9a). La zona de células madre centrales contiene células que raramente se dividen y dan lugar a las células de las zonas periférica y medular. La zona periférica es un anillo de forma tridimensional que rodea a la zona anterior, consistente en células de rápida división que dan origen a los primordios foliares y a otras partes del tallo, suministrando además células a la protodermis, al procámbium y a la parte del meristemo fundamental que produce el córtex. Bajo estas dos zonas se encuentra la zona medular, que produce células que se convierten en parte del meristemo fundamental que origina la médula. En las regiones inferiores a estas tres zonas del meristemo apical del vástago se encuentran la protodermis, el procámbium y el meristemo fundamental, donde continúa la división celular y donde se inician el crecimiento y la diferenciación celulares. Por debajo de estos meristemos primarios, las células continúan su elongación y diferenciación para convertirse en tejidos maduros. La teoría túnica-cuerpo o tunica-corpus sostiene que las células iniciales del meristemo apical del vástago forman varias capas celulares, partiendo de la punta del meristemo apical (Figura 4.9b). Las capas externas de células iniciales dan lugar a la túnica, que equivale a la parte más externa de la zona periférica. La mayoría de los vegetales poseen dos capas de túnica, identificadas como L1 y L2 (la L se debe a la inicial del término inglés layer, «capa»). En la túnica, las células iniciales se dividen generalmente de manera perpendicular a la superficie o en división anticlinal (Figura 4.9c). La capa L3 y sus células derivadas forman el cuerpo, que equivale más o menos a la zona de células madre centrales, a la parte interna de la zona periférica y a la zona medular. Las células iniciales del cuerpo sufren división anticlinal y también periclinal, es decir, paralela a la superficie. En la teoría túnica-cuerpo, la capa más externa de la túnica produce la protodermis, mientras que el cuerpo da lugar al procámbium y al meristemo fundamental.

Capítulo 4

18/11/05

94

16:43

Página 94

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

En el crecimiento primario de la mayoría de los tallos, el tejido vascular forma haces independientes

Primordios foliares

na periféric a Zo Zona de células madre centrales

Zona medular Áreas de elongación y diferenciación celulares (a) Teoría de zonación Divisiones anticlinales

Túnica

L1

L2

Divisiones periclinales (c)

L3 Corpus

Áreas de elongación y diferenciación celulares

(b) Teoría túnica-cuerpo

Figura 4.9.

Organización del meristemo apical del vástago en zonas y capas.

En esta figura se muestran los dos modelos diferentes utilizados para describir el meristemo apical del vástago. (a) En la teoría de zonación, la zona de células madre centrales, de división celular lenta, dan lugar a las células de división rápida de las zonas periférica y medular. Las células de la zona periférica se convierten en primordios foliares y dan lugar a células dérmicas y vasculares del tallo y del córtex. Las células de la zona medular dan lugar al tejido fundamental del centro del tallo. (b) El modelo túnicacuerpo sostiene que el meristemo apical del vástago está compuesto por tres capas de células divisibles. Por lo general, dos capas (L1 y L2) forman la túnica, la cual da lugar a su vez a la protodermis. La capa más profunda (L3) producirá el procámbium y el meristemo fundamental. (c) Las células de la túnica sufren divisiones anticlinales (perpendiculares a la superficie del meristemo apical), mientras que las células del cuerpo sufren tanto divisiones anticlinales como periclinales (paralelas a la superficie del meristemo apical).

Existen variaciones considerables en la disposición del tejido vascular en la estructura primaria de un tallo. El tallo de algunas plantas vasculares sin semillas presenta una protostela, el mismo patrón primitivo típico de la mayoría de las raíces (Figura 4.10a). La protostela aparece en los vegetales más antiguos de los que se tiene constancia fósil. El tallo de algunas plantas vasculares sin semillas, como los helechos o los equisetos, presenta una sifonostela (Figura 4.10b). Ésta consiste en un cilindro vascular continuo que rodea el núcleo medular (tejido fundamental). En la sifonostela, que evolucionó a partir de la protostela, el floema aparece en la parte exterior del xilema o a ambos lados del mismo. El cilindro se rompe por la presencia de intersticios foliares, donde el tejido vascular se separa de la estela para introducirse en las hojas. En el tallo de la mayoría de las plantas con semillas, es decir, las Gimnospermas y las plantas con flores, el tejido vascular forma haces vasculares, bandas independientes de xilema y floema. Los haces vasculares carecen de intersticios foliares. En cada haz, el xilema se sitúa de cara al centro del tallo, y el floema de cara a la superficie del mismo. En la mayoría de los tallos de Gimnospermas y Dicotiledóneas, los haces vasculares forman un círculo alrededor de la médula, una disposición que se conoce con el nombre de eustela. Al igual que la sifonostela, la eustela evolucionó a partir de la protostela. Existen dos tipos de eustela. En el primer tipo, los haces forman un anillo rígido, con regiones estrechas de células parenquimáticas entre ellos (Figura 4.10c). En el segundo tipo, los haces forman un anillo suelto, con regiones de células parenquimáticas más anchas entre ellos (Figura 4.10d). En contraste con la disposición circular de la eustela, los haces vasculares de la mayoría de las Monocotiledóneas están repartidos por todo el tejido fundamental (Figura 4.10e). Este tipo de disposición dispersa de las Monocotiledóneas es una evolución de la eustela. Como ya sabemos, los términos córtex y médula se refieren simplemente a las localizaciones del tejido fundamental, que está formado esencialmente por parénquima. Estos términos sólo son útiles a la hora de distinguir las localizaciones del tejido fundamental en relación con un cilindro o anillo simple de tejido vascular. El tejido fundamental que se encuentra en la parte externa del cilindro o anillo vascular recibe el nombre de córtex, mientras que al tejido fundamental existente en el interior del tejido vascular se le denomina médula. Con todo, si los haces vasculares están

Capítulo 4

18/11/05

16:43

Página 95

CAPÍTULO 4

◆

La raíz, el tallo y las hojas: el cuerpo vegetal primario

Epidermis

Epidermis

Córtex

Córtex

95

Floema Floema

Xilema

Xilema

Médula

(a) Protostela (algunas plantas vasculares sin semillas)

(b) Sifonostela (mayoría de plantas vasculares sin semillas)

Epidermis

Epidermis

Epidermis

Córtex

Córtex

Tejido fundamental

Floema

Floema

Haz vascular

Xilema Xilema Médula Médula Haz vascular

(c) Eustela con un anillo rígido de haces vasculares (algunas Dicotiledóneas y Gimnospermas)

Figura 4.10.

Haz vascular

(d) Eustela con un anillo suelto de haces vasculares (mayoría de Dicotiledóneas, algunas Gimnospermas)

Xilema Floema

(e) Estela con haces vasculares dispersos (mayoría de Monocotiledóneas)

Estructura primaria del tallo.

En la mayoría de los haces vasculares, el xilema aparece en el interior y el floema en el exterior de éstos. El xilema primario y el floema primario suelen estar rodeados por una capa de células esclerenquimáticas. Estas secciones transversales muestran los modelos básicos de la estructura del tallo de un vegetal.

dispersos, como ocurre en la mayoría de los tallos de Monocotiledóneas, el tejido fundamental estará disperso entre los haces, de manera que los términos córtex y médula carecen de validez. Evidentemente, en toda estructura del tallo, el tejido dérmico rodea al resto de los tejidos. En el crecimiento primario, la epidermis es el tejido dérmico, que con frecuencia produce una cutícula compuesta de materiales impermeables que reducen la pérdida de agua.

Una región de transición asegura la continuidad vascular entre raíz y tallo Si la mayoría de las raíces presenta la protostela, y la mayoría de los tallos posee diferentes disposiciones de haces

vasculares, ¿cómo se conectan los tejidos vasculares de la raíz y del tallo? La respuesta es que hay una zona de transición entre la raíz y el tallo, en la que una disposición se fusiona poco a poco con la otra (Figura 4.11). La zona de transición se forma durante el crecimiento temprano de la plántula y mide entre unos pocos milímetros y unos pocos centímetros de longitud. Cabría preguntarse por qué la raíz y el vástago de un mismo vegetal presentan diferentes disposiciones de tejido vascular. La evolución de la raíz y del tallo podría ser la solución. Las primeras plantas vasculares carecían de raíces y eran tallos superficiales y subterráneos con protostelas. Por supuesto, la estructura de la protostela se mantuvo cuando los tallos subterráneos evoluciona-

Capítulo 4

18/11/05

96

16:43

Página 96

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

Los primordios foliares se originan en los laterales del meristemo apical del vástago, según un patrón específico

Estructura del tallo (eustela)

Zona de transición de eustela a protostela

Estructura radicular (protostela)

Figura 4.11.

Ya hemos visto cómo puede variar la estructura interna del tallo. Igualmente, existen variaciones en la disposición de las hojas. Los primordios foliares se forman en los laterales del meristemo apical del vástago en una disposición ordenada y previsible, conocida como filotaxis o filotaxia (del griego, «orden foliar»), diferente en cada especie vegetal. Existen tres tipos básicos de disposición foliar, que se diferencian por el número de hojas que hay en cada nudo: alterna, opuesta y verticilada (Figura 4.12). La disposición alterna presenta tan sólo una hoja por nudo. En un tipo de filotaxis alterna, cada hoja forma 180º con la hoja previa y se denomina dística. En otro tipo común, las hojas se establecen en una disposición espiralada, alternándose a lo largo de una espiral que rodea el tallo. Una disposición opuesta consiste en dos hojas por nudo. En una variación, cada par de hojas está orientado como el par previo. En otra variación denominada decusada, cada par de hojas forma un ángulo recto con el par previo. Una disposición verticilada incluye tres hojas o más por nudo. Independientemente de su filo-

Opuesta

Alterna

Zona de transición entre el tallo y la raíz.

En muchos vegetales, la estela de la raíz tiene una disposición vascular diferente a la estela del tallo. En la zona de transición, una disposición se fusiona con la otra, a menudo formando un complejo modelo que puede variar significativamente de una especie a otra. La transición suele producirse en un área de unos pocos milímetros o centímetros. Este ejemplo simplificado muestra cómo parte del tejido vascular de la protostela de la raíz del ranúnculo (Ranunculus) se mezcla con parte del tejido vascular de eustela del tallo, que presenta numerosos haces vasculares separados.

ron para convertirse en raíces. Con todo, puede ser que la protostela no proporcionase suficiente sostén a un tallo superficial, y por esa razón se sustituyó gradualmente por la sifonostela o la eustela de la mayoría de las plantas vasculares.

90° Espiralada (variación de la alterna) o helicoidal

Decusada (variación de la opuesta)

Verticilada

Figura 4.12.

Modelos básicos de disposición foliar en un tallo.

Los tres tipos más generales de filotaxis son alterna, opuesta y verticilada.

Capítulo 4

18/11/05

16:43

Página 97

CAPÍTULO 4

taxis, las hojas se disponen de forma que cada una esté bien expuesta a la luz solar y pueda llevar a cabo la fotosíntesis cómodamente. Los botánicos buscan pistas para explicar la aparición de nuevas hojas en determinados lugares. Hay dos tipos de teorías que tratan de interpretar la disposición de los primordios foliares en el meristemo apical: teorías de campos y teorías del espacio disponible. Las teorías de campos o bioquímicas apuntan a las hormonas o a otras sustancias promotoras del crecimiento como la causa. Por ejemplo, la existencia de primordios foliares podría producir un compuesto que inhibiera la formación de nuevos primordios cercanos. Sin embargo, nadie ha identificado todavía tales hormonas. Las teorías del espacio disponible, conocidas también como teorías biofísicas, sostienen que los nuevos primordios se originan cuando el espacio para ellos no lo ocupan primordios ya existentes. Una de estas teorías propone que las tensiones que causan los primordios en la superficie apical dan lugar a toda una suerte de alteraciones espontáneas en la superficie apical, de donde surgen los consiguientes primordios.

Las variaciones en el tallo reflejan las diferentes tendencias evolutivas Además de las variaciones filotáxicas, el tallo presenta tamaños y formas muy variadas, que reflejan las diferentes adaptaciones medioambientales. Tomemos como ejemplo dos tallos: el largo y fibroso de una palmera y el corto y esbelto de una planta de trigo. Las palmeras son los vegetales más altos cuyo tallo sólo presenta crecimiento primario. Aunque las palmeras carecen de meristemos laterales (secundarios), el tronco sigue creciendo a lo ancho como resultado de la división y crecimiento continuos de las células derivadas del meristemo apical. En una palmera, el único meristemo apical se encuentra en lo alto del tallo, que puede llegar a crecer hasta 61 metros. En contrapartida, el trigo es una gramínea de tallo corto. Las palmeras y el trigo son dos buenos ejemplos de cómo diferentes medios pueden modificar el tallo evolutivamente para cubrir diversas necesidades. Originarias de regiones tropicales donde las heladas son escasas o inexistentes, las palmeras gozan de una larga vida y deben competir con muchos otros vegetales por la luz solar, a menudo en exuberantes selvas tropicales. Al crecer en longitud a lo largo de los años, reciben la luz solar necesaria, y las hojas y el meristemo apical se preservan de la mayoría de los animales. En contrapartida, el trigo, que vive sólo durante un año, es típico de las montañas frías y

◆

La raíz, el tallo y las hojas: el cuerpo vegetal primario

97

las planicies de Oriente Medio. En estas regiones, el trigo debe enfrentarse al frío y al viento, a períodos vegetativos muy cortos y al ataque recurrente de los animales. Como los meristemos apicales del vástago se encuentran cerca del suelo durante la mayor parte del período vegetativo, el trigo puede sobrevivir a las agresiones físicas del viento seco y a la pérdida de hojas producida por el pastoreo. El tallo del trigo y el de las palmeras difieren significativamente en el número de entrenudos y en los patrones de elongación. Cada tallo del trigo produce un vástago principal y de uno a tres vástagos auxiliares llamados hijuelos (Figura 4.13a). El vástago principal desarrolla alrededor de siete hojas y los hijuelos dan lugar a un número incluso menor. La mayoría de los entrenudos no se alargan desde el principio, de manera que cada meristemo apical del vástago permanece cerca del nivel del suelo hasta casi el final del ciclo vital. Gracias a la acción de los meristemos intercalares en los entrenudos, cada vástago crece desde unos centímetros hasta un metro, produciendo una inflorescencia que dará lugar a los granos de trigo cuando se produzca la polinización. La última hoja, que es también la más grande, se denomina hoja bandera y contribuye sobremanera a la producción de granos. Por el contrario, las palmeras desarrollan una gran cantidad de hojas, y los entrenudos se alargan poco a poco para producir el tronco, que eleva cada vez más las hojas más jóvenes cercanas al meristemo apical (Figura 4.13b). Las hojas más antiguas se mueren y caen, pero sus bases foliares permanecen en el tronco.

Algunos tallos poseen funciones especializadas, además del sostén y la conducción De las misma manera que numerosos vegetales poseen raíces modificadas, muchos tallos se han especializado como resultado de la evolución. Algunos tallos modificados intervienen en la reproducción. El tallo rastrero denominado estolón es horizontal y superficial, como el de la planta de fresa (Figura 4.14a), y contribuye a la reproducción vegetativa. El estolón es, en su origen, una yema axilar, que da lugar a un tallo que crece por encima de la superficie del suelo para establecer un nuevo vegetal en las inmediaciones. Muchas gramíneas, como el trigo, se reproducen por medio de los hijuelos o vástagos auxiliares que se extienden a partir de los nudos de la base del vegetal, justo por debajo del meristemo apical. El tallo horizontal que recibe el nombre de rizoma es subterráneo (Figura 4.14b). Este tipo de tallo es

Capítulo 4

18/11/05

98

16:44

Página 98

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

Hoja

Hijuelo

Tallo de trigo ENTRENUDOS

NUDOS 7

Elongación y producción de la inflorescencia

6 5

Desarrollo de la inflorescencia Desarrollo de hojas

4 No se produce elongación Se produce elongación si la semilla se sembró a mucha profundidad

3

Da lugar a raíces adventicias, hojas e hijuelos

2 1

Hoja

0 –1 –2

Hijuelo

Nudo Raíz

(a) El trigo crece en regiones frías y templadas, y mide entre 30 centímetros y medio metro de longitud. Una planta de trigo típica presenta hasta siete hojas y tres vástagos auxiliares llamados hijuelos, conectados al tallo mediante nudos. Sólo unos pocos entrenudos se alargan durante el ciclo vital de la planta.

Figura 4.13.

(b) Las palmeras crecen en regiones tropicales y suelen ser bastante altas, con cientos de bases foliares en su tronco. Las palmeras producen muchas más hojas que el trigo, y todos sus entrenudos se alargan. Finalmente, las hojas se mueren y caen, dejando al descubierto las bases foliares.

Comparación de los nudos y entrenudos del trigo y de la palmera.

El vástago de un vegetal está formado por los entrenudos del tallo, separados por los nudos, donde se sujetan las hojas. Las principales diferencias entre el tallo del trigo y el de la palmera residen en el número de entrenudos y en cuánta elongación se produce.

típico de los lirios, donde los rizomas desarrollan nuevas hojas y tallos cada año. Otros tallos modificados almacenan nutrientes o agua. Un tallo que contiene una reserva de nutrientes aumenta al acumular almidón en sus células parenquimáticas. El tubérculo, como en el caso del boniato o batata, es un tallo subterráneo compuesto principalmente por células parenquimáticas llenas de almidón, que se originan en la punta de un estolón o de un rizoma (Figura 4.14c). Los

«ojos» de la patata son en realidad yemas axilares agrupadas de forma helicoidal a lo largo de la superficie de la misma. En un bulbo, como la cebolla, el almidón se acumula en las hojas gruesas y carnosas adheridas al tallo (Figura 4.14d). El bulbo sólido, como el del gladiolo, es un tallo subterráneo de reserva que presenta la forma de un bulbo, pero consiste más bien en tejido del tallo que en hojas gruesas (Figura 4.14e). Los tallos gruesos que almacenan agua también son típicos de algunos vegetales

Capítulo 4

18/11/05

16:44

Página 99

CAPÍTULO 4

◆

La raíz, el tallo y las hojas: el cuerpo vegetal primario

(a) Estolón. Esta planta de fresa posee estolones, tallos horizontales o rastreros que crecen por encima del suelo para ayudar a que la planta se reproduzca asexualmente.

99

(b) Rizoma. Esta fotografía muestra los rizomas o tallos horizontales subterráneos de un lirio.

(c) Tubérculo. Ciertos vegetales, como esta batata, forman tubérculos o tallos subterráneos que almacenan almidón.

(d) Bulbo. La cebolla es un ejemplo de bulbo, un tallo corto al que se adhieren hojas carnosas.

Figura 4.14.

(e) Bulbo sólido. El gladiolo presenta un cormo, que es similar a un bulbo, salvo en que las hojas son pequeñas y finas, y la reserva de nutrientes se produce en el propio tallo en lugar de en las hojas.

Tallos modificados.

desérticos, sobre todo los cactus, donde las espinas son en realidad hojas modificadas sujetas a un tallo carnoso. En el cuadro de la página siguiente, Las plantas y las personas se describen algunos tallos y hojas de gran importancia como cultivos.

3. ¿Qué es la filotaxis? 4. ¿Qué revelan las diferencias entre la palmera y la planta de trigo sobre el crecimiento del tallo? 5. ¿En qué se parece un tallo modificado a una raíz modificada?

Repaso de la sección

Las hojas

1. ¿En qué se diferencian el crecimiento del tallo y el crecimiento de la raíz? 2. Describe los tipos básicos de estelas que se dan en el tallo.

El tallo da lugar a las hojas y a estructuras reproductoras como las flores y las piñas que, en términos evolutivos, son vástagos modificados. En el Capítulo 6, analizaremos las

Capítulo 4

18/11/05

100

16:44

Página 100

UNIDAD UNO

LAS

◆

Estructura de las plantas

PLANTA S

Y

L A S

P E R SO NA S

Deliciosos tallos y raíces n todo el mundo, los granos de cereales como el arroz, el trigo o el maíz representan la principal fuente de alimento para el ser humano. Empero, los cultivos de tubérculos, ya sean de tallos, como la patata y el ñame, o raíces, como la batata y la mandioca, completan la lista de los seis cultivos que en conjunto suplen el 80% de las calorías que necesita el ser humano. Los cultivos de raíces son más ventajosos que los cultivos de semillas. Se puede obtener con facilidad una gran cosecha sin mecanización, y los cultivos de raíces se almacenan provechosamente sin necesidad de procesamiento o secado. Con todo, su alto contenido en humedad los hace más pesados que los granos de cereales y, por consiguiente, su transporte resulta más caro. Desde el punto de vista nutricional, los cultivos de tubérculos contienen mucho almidón y calorías, pero carecen a menudo de las proteínas o grasas suficientes en comparación con los cultivos de granos de cereales. El cultivo subterráneo más extendido es la Mandioca patata (Solanum tuberosum), que constituye la principal fuente de almidón en los países desarrollados. La patata, originaria de la Cordillera Andina sudamericana, es un vegetal de clima frío y no suele darse bien en los Trópicos. Después de que los colonizadores españoles la trajeran a Europa en el siglo XVI, se convirtió en un cultivo muy importante en muchos países europeos, especialmente en Irlanda. Cuando en la década de 1840, el hongo de la roya de la patata asoló los cultivos de toda Europa, la población de Irlanda decreció un 50%, pues muchos irlandeses murieron de hambre o emigraron. Aunque a veces se dice que es un cultivo de raíz, la patata es en realidad un tubérculo. Las yemas que produce el tallo reciben el nombre de «ojos», y el trozo de patata que contiene un ojo (o brote) es el encargado de propagar la planta. La mandioca (Manihot esculenta) es el cultivo de raíz más importante en los países tropicales, donde no se da la patata. Los indígenas de América del Sur fueron los primeros en cultivar la mandioca, también conocida como yuca. Representa la principal fuente calórica para más de

E

estructuras reproductoras, mientras que a continuación nos centraremos en la estructura y funciones de las hojas. Los primeros vegetales eran sistemas de tallos fotosintéticos, y las hojas evolucionaron a partir de ramas situadas en

Plantación de taro en Molokai, Hawaii. 300 millones de personas, pues tanto la raíz de reserva como las hojas son comestibles. La mandioca se puede moler para fabricar el ingrediente base del pudín tapioca. La planta de la batata (Ipomoea batatas), también originaria de América del Sur, tiene una raíz de reserva de gran tamaño, que puede cocerse, hornearse o freírse. Las batatas fritas se hacen pelando las batatas, cortándolas en rodajas y friéndolas. A veces, a las batatas se les llama ñames, pero en realidad los ñames pertenecen al género Dioscorea. Originarios del Lejano Oriente, los ñames son tubérculos que probablemente ostenten el título del mayor vegetal del mundo, ya que algunos pueden llegar a pesar hasta 318 kilos. El taro (Colocasia esculenta o Xanthosoma sagittifolim) presenta un bulbo sólido rico en almidón y azúcar. La mayor parte de la producción proviene de África. El plato tradicional hawaiano poi contiene raíces de taro cocidas al vapor, aplastadas, fermentadas y en ocasiones condimentadas. El tipo poi «un dedo» es bastante consistente, mientras que poi «tres dedos» es más blando (la consistencia se mide por el número de dedos que se utilizan para comerlo).

un mismo plano que crecieron juntos. De este modo, las hojas se convirtieron en los principales órganos fotosintéticos de un vegetal. Sin embargo, como veremos ahora, las hojas también desempeñan otras funciones muy importantes.

Capítulo 4

18/11/05

16:44

Página 101

CAPÍTULO 4

Un primordio foliar se desarrolla mediante división, crecimiento y diferenciación celulares hasta convertirse en una hoja Al principio de este capítulo vimos cómo las hojas se originan en el meristemo apical del vástago en forma de protuberancias de tejido llamadas primordios foliares. A continuación analizaremos con mayor detalle cómo estos primordios se convierten en hojas. La formación de una protuberancia en un flanco del meristemo apical del vástago aporta el primer indicio de que aparecerá una nueva hoja (Figura 4.15). A medida que el meristemo apical crece y se aleja, las células de di-

◆

La raíz, el tallo y las hojas: el cuerpo vegetal primario

101

cha protuberancia se alargan hasta que aparece un primordio foliar plano. El primordio se expande mediante división y crecimiento celulares, dando lugar a un pecíolo delgado y a un limbo, que es la parte plana de la hoja. Con frecuencia, los pecíolos presentan dos pequeñas laminillas de aspecto foliar llamadas estípulas, que están unidas al nudo. Un pecíolo puede ser de forma parecida a un tallo o a una hoja, de manera que a veces no existe una demarcación clara entre el pecíolo y la hoja, sobre todo a medida que el pecíolo se acerca al limbo y adquiere progresivamente un aspecto más foliar. Algunas hojas, denominadas sésiles, carecen de pecíolos y están directamente unidas al tallo (Figura 4.16). Este tipo de hoja es muy común en las Monocotiledóneas, donde la base de la hoja rodea el tallo formando una vaina. En la región del primordio que da lugar al limbo surgen protuberancias longitudinales de células divisibles que se desarrollan a cada lado del primordio. Si estas dos protuberancias producen nuevas células de forma pareja, el borde del limbo, llamado margen, será liso y uniforme. Si hay varios grados de división celular en diferentes partes de ambas crestas, el resultado será un margen foliar desigual. Algunas veces, estas protuberancias de células divisibles reciben el nombre de meristemos intercalares o marginales.

La epidermis de la hoja proporciona protección, además de regular el intercambio de gases

Figura 4.15.

Formación de la hoja.

Las nuevas hojas aparecen primero como pequeñas protuberancias en el flanco del apéndice del vástago. Esta fotomicrografía muestra una sección longitudinal de la punta del vástago de Coleus blumei. Las dos protuberancias se convertirán en hojas opuestas, características de esta especie. Las protuberancias se alargan hasta convertirse en primordios foliares planos, unidos al tallo por pecíolos con forma de tallo. La protodermis, el procámbium y el meristemo fundamental se originan a partir del meristemo apical. Estos primordios ya presentan bandas procambiales diferenciadas que se extienden en sentido descendente para conectar con la estela del tallo.

La epidermis de la hoja, que es una capa única de células procedentes de la protodermis, evita que la hoja pierda agua y la protege de abrasiones y de la intrusión de hongos o bacterias causantes de enfermedades. La epidermis también regula el intercambio de gases, como el CO2, el O2 y el vapor de agua, que la hoja o bien necesita o bien fabrica. Normalmente, la epidermis no es fotosintética. Como la principal función de las hojas es la de realizar la fotosíntesis, la superficie de ésta tiene que maximizar la absorción de luz solar, lo que también conlleva una pérdi-

Figura 4.16.

Hojas sésiles.

Las hojas unidas directamente al tallo, es decir, carentes de pecíolo, reciben el nombre de sésiles. A menudo, las hojas sésiles forman una vaina alrededor del tallo.

Capítulo 4

18/11/05

102

16:44

Página 102

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

da de agua. Para contrarrestar esta pérdida, la epidermis de la hoja produce normalmente una cutícula externa de cera y de cutina, una sustancia grasa impermeable. Algunas plantas producen una capa de cera por encima de la cutícula, lo que proporciona protección extra contra la pérdida de agua. La cutícula y su capa externa de cera son también una superficie resbaladiza que previene la adherencia y germinación de esporas de hongos y evita que muchos insectos se posen. En ocasiones, las células epidérmicas poseen numerosos pelos foliares. Algunos de estos tricomas, que hacen que la hoja sea pubescente (vellosa), la protegen contra la pérdida de agua y el exceso de acumulación de calor. Otros contienen sustancias tóxicas que repelen los insectos y otros animales que se alimentan de hojas. Para controlar el movimiento de vapor de agua, CO2 y O2, las hojas poseen estomas (del griego stoma, que significa «boca»), y cada uno consiste en un poro regulado por dos células epidérmicas denominadas células oclusivas o células guarda, cada una a un lado del poro. A menudo, los estomas se presentan en mayor número en el envés de la hoja, donde están a resguardo de temperaturas elevadas y acumulan menos polvo y esporas fúngicas (Figura 4.17). A través de los estomas, el CO2 penetra en la hoja para incorporarse mediante fotosíntesis a los carbohidratos, mientras que el vapor de agua y el oxígeno

abandonan la hoja en grandes cantidades. El oxígeno, que es producido mediante fotosíntesis y es necesario para la respiración, abandona o accede a las hojas dependiendo del momento del día. Cuando las células oclusivas toman agua, las bandas de celulosa de sus paredes celulares hacen que se hinchen y se curven de manera que el estoma se abre. Cuando las células oclusivas pierden agua, el estoma se cierra. En la mayoría de los vegetales, la cantidad de agua en una hoja es un importante factor para saber si los estomas están abiertos o cerrados. Por ejemplo, las altas temperaturas y los fuertes vientos tienden a secar la hoja y provocan que el estoma se cierre. Las altas concentraciones de CO2 dentro de la hoja también pueden hacer que el estoma se cierre, indicando al vegetal que ya hay suficiente CO2 para la fotosíntesis. Veremos más detalles sobre los factores que controlan la apertura y cierre de los estomas en los Capítulos 8 y 10. La transpiración, o evaporación de agua a través de los estomas, funciona como un mecanismo de succión que trae el agua y los minerales desde la raíz hasta el tallo. De hecho, el vegetal debe perder agua de las hojas para provocar la subida de agua desde la raíz. Como la transpiración proporciona más agua de lo que el vegetal necesita, el proceso supone una ganancia neta de agua para el mismo. El proceso de evaporación también refresca las hojas, que de otro modo se calentarían demasiado debido a la exposición directa al Sol. La superficie foliar en sí misma funciona como un radiador directo del calor. La pérdida de calor de las hojas es esencial en el momento en que los estomas se cierran, para evitar que el vegetal sufra una pérdida de agua excesiva.

El mesófilo, tejido fundamental de las hojas, se encarga de llevar a cabo la fotosíntesis Estoma cerrado.

Estoma abierto.

Figura 4.17.

Epidermis foliar.

Los estomas son poros presentes en la epidermis foliar rodeados por dos células oclusivas, que son fotosintéticas y contienen numerosos cloroplastos. Estas micrografías muestran el cambio en la forma de las células oclusivas, causado por la toma de agua, la cual provoca la apertura de los estomas.

La fotosíntesis en una hoja tiene lugar en el tejido fundamental clorenquimático denominado mesófilo (del griego mesos, «medio», y phyllon, «hoja»), que se encuentra entre las capas superiores e inferiores de la epidermis (Figura 4.18). Las células del mesófilo contienen cloroplastos y están especializadas en la fotosíntesis. Ocasionalmente, las células del mesófilo muestran una forma alargada y se alinean por debajo de la epidermis, en una disposición conocida como mesófilo en empalizada, también denominada parénquima en empalizada (del latín palus, que significa «palo» o «estaca»). Para entender mejor esta disposición, basta con pensar en una valla de madera, cuyas estacas se disponen alineadas, pero no se

Capítulo 4

18/11/05

16:44

Página 103

CAPÍTULO 4

◆

La raíz, el tallo y las hojas: el cuerpo vegetal primario

103

Cutícula Epidermis superior

Mesófilo en empalizada

Mesófilo esponjoso Epidermis inferior Estoma Célula oclusiva Espacio de aire

Haz vascular (nervio)

Célula envolvente del haz

tocan. Las capas en empalizada suelen estar formadas por una sola capa de células, aunque una luz solar intensa puede dar lugar a múltiples capas. En muchas Dicotiledóneas, las capas en empalizada aparecen justo por debajo de la capa superior de la epidermis, que es la parte más expuesta a la luz. Bajo el mesófilo en empalizada se encuentra el mesófilo esponjoso, también llamado parénquima esponjoso. El mesófilo esponjoso consiste en células fotosintéticas organizadas laxamente, de tal manera que hay suficiente espacio entre ellas para permitir la difusión de CO2 desde los estomas hasta las otras partes de la hoja. En algunos vegetales donde el limbo es vertical, el mesófilo en empalizada aparece en ambas caras de la hoja, y el mesófilo esponjoso se presenta en el centro o es incluso inexistente. Generalmente, la mayoría de los cloroplastos se localizan en el parénquima en empalizada y, por tanto, la mayor parte del proceso fotosintético de una hoja se produce en el mismo.

El tejido vascular de una hoja se dispone en forma de nervios El tejido vascular de cada hoja se conecta con el tejido vascular del tallo. En cada nudo del tallo suele haber dos

Cutícula

Figura 4.18.

Mesófilo de la hoja.

En esta sección transversal de hoja común, se observan dos capas de mesófilo en empalizada que revisten una capa de mesófilo esponjoso.

o más haces vasculares denominados rastros foliares, que abandonan el tejido vascular principal del tallo y atraviesan un pecíolo conector para llegar al limbo. Una vez dentro del pecíolo y del limbo, los haces vasculares se dicen nervios foliares y son una continuación de los haces vasculares del propio tallo (Figura 4.19a). Los nervios foliares se forman debido a la influencia de hormonas vegetales, en particular, de la auxina. La parte del nervio que da al haz de la hoja suele estar compuesta de xilema, mientras que la parte del nervio que da al envés suele estar compuesta de floema. Además de conducir agua, minerales y nutrientes, los nervios proporcionan sostén a la hoja, y en ocasiones cuentan con células envolventes del haz alrededor de ellos para incrementar la fuerza y la protección. Existen asimismo dos disposiciones típicas de nervios foliares, conocidas como nervadura reticulada y nervadura paralela. La mayoría de las Dicotiledóneas y los helechos presentan nervadura reticulada (Figura 4.19b), en la que los nervios foliares forman redes ramificadas. Las hojas de la mayoría de las Monocotiledóneas y Gimnospermas presentan nervadura paralela (Figura 4.19c), también conocida como nervadura estriada, en la cual los nervios se disponen en grandes líneas paralelas a lo largo de los bordes foliares.

Capítulo 4

18/11/05

104

16:44

Página 104

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

Rastros foliares

MO

(a) En el pecíolo y en el limbo, los rastros foliares se convierten en nervios y pueden ramificarse y conectarse. Tal y como se muestra en esta sección transversal del pecíolo de una zanahoria, hay gran cantidad de rastros foliares.

(b) Nervadura reticulada.

(c) Nervadura paralela.

La forma y disposición de las hojas obedecen a causas medioambientales La forma, el tamaño y la disposición de las hojas ayudan a los vegetales a llevar a cabo la fotosíntesis y a cubrir otras necesidades. Las diversas formas y estructuras foliares, determinadas genéticamente, reflejan las características que han permitido que los vegetales sobrevivan en diferentes medios. Las hojas pueden ser grandes o pequeñas, numerosas o escasas, gruesas o finas, y persistentes o efímeras, dependiendo de la especie, de las necesidades fotosintéticas y del entorno. Por ejemplo, las hojas gruesas de muchas plantas desérticas almacenan agua para aumentar la supervivencia de éstas. En las guías de identificación de vegetales, los rasgos clave utilizados para describir las hojas se refieren al limbo, simple o dividido; la forma de la hoja; las características del margen foliar, y la nervadura. Por ejemplo, una hoja simple consiste en un limbo con el margen entero o bien más o menos dividido en lóbulos o dientes. En una hoja compuesta, el limbo está dividido en folíolos. En una hoja compuesta palmeada, los folíolos están unidos a la punta del pecíolo y se despliegan como los dedos de una mano abierta. En una hoja compuesta pinnada, los

Figura 4.19.

Rastros foliares y nervaduras.

folíolos forman filas en los lados opuestos al eje, como si la hoja fuese una pluma. Como se puede apreciar en la Figura 4.20, éstas son sólo unas pocas de las variaciones existentes. De manera general, las hojas grandes con limbos finos y lisos se dan en ambientes con temperaturas bajas, niveles de luz bajos, húmedos y carentes de viento. La mayor superficie compensa el bajo nivel de luz. Las hojas pequeñas con márgenes variables se dan en ambientes con temperaturas más templadas, niveles de luz elevados, secos y con vientos fuertes. El pequeño tamaño minimiza los golpes del viento, y los márgenes variables desvían al viento de la hoja. Las hojas que crecen al Sol tienen una estructura interna algo diferente a la de aquéllas que crecen en la sombra. Las hojas de algunos vegetales pueden orientarse a sí mismas en relación con la luz. La planta al compás (Silphium laciniatum o Lactuca biennis) se denomina así debido a que el haz de sus hojas se orienta hacia el este y hacia el oeste. A mediodía, el Sol alcanza los bordes foliares, que al girarse evitan un sobrecalentamiento en el momento más caluroso del día. Las hojas de los vegetales se adaptan al viento de diversas maneras. Algunos vegetales, como los pinos, tienen ho-

Capítulo 4

18/11/05

16:44

Página 105

CAPÍTULO 4

(a) Simple y compuesta

Compuesta: palmeada

◆

La raíz, el tallo y las hojas: el cuerpo vegetal primario

105

(b) Forma

Compuesta: pinnada Lanceolada

Triangular Cordada o acorazonada (en forma de corazón)

Simple Ovalada

Compuesta: bipinnada

(c) Margen o borde foliar

(d) Nervadura

Paralelinervia Ondulada

Aserrada Dinnatinervia

Lobulada

Palmatinervia

Entera

Figura 4.20.

Estructura externa de la hoja.

Las características de la estructura externa de una hoja recogen detalles tales como si el limbo es simple (sencillo) o compuesto en foliolos, la forma de cada limbo, la forma del margen o borde foliar, y el tipo de nervadura.

Capítulo 4

18/11/05

106

16:44

Página 106

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

jas puntiagudas y pequeñas que presentan una resistencia mínima al viento. Otros vegetales simplemente pierden sus hojas durante los períodos ventosos, pero éstas vuelven a crecer más tarde. Algunos vegetales enrollan sus grandes hojas formando estructuras cónicas que apuntan al viento, evitando así la resistencia. Las hojas del álamo temblón pueden moverse con el viento gracias a que sus pecíolos son planos y se posicionan en ángulo recto con respecto a los limbos, permitiendo que las hojas roten. Los álamos temblones se agitan y vibran con el viento, emitiendo un sonido rumoroso muy característico.

La zona de abscisión se origina en el pecíolo de una hoja caduca Las plantas que pierden todas sus hojas en ciertas estaciones del año se conocen con el nombre de caducifolios (del verbo latino que significa «caerse»). Algunos ejemplos de árboles de hoja caduca de zonas templadas son el arce y el sicómoro, ambos dicotiledóneas. En las regiones tropicales donde se alternan las estaciones secas y las lluviosas, muchos arbustos y árboles pierden sus hojas en el período que transcurre entre las estaciones lluviosas. En los vegetales de hoja caduca, las áreas donde las hojas se separan del vegetal se conocen con el nombre de zonas de abscisión (del verbo latino que significa «cortar»). Generalmente, estas zonas se forman cerca del nudo donde el pecíolo se une al tallo en los vegetales de zonas templadas, en respuesta a los días más cortos y al tiempo más seco y frío (Figura 4.21). Estos cambios en el medio desencadenan la producción de hormonas que inician una serie programada de procesos químicos. Después de que las pequeñas moléculas útiles regresen de las hojas al tallo, las reacciones químicas dan lugar a la capa de separación de la zona de abscisión, en la que las laminillas medias y las paredes celulares se debilitan. Poco a poco, el peso de la hoja y la fuerza del viento hacen que la hoja se separe. No obstante, antes de la separación, se forma una capa protectora en el lado de la zona de abscisión más cercano al cuerpo principal del vegetal, evitando así la intrusión de bacterias u hongos causantes de enfermedades. En el Capítulo 11, leeremos más sobre los procesos químicos relacionados con la abscisión de la hoja. La mayoría de los pinos y otras Coníferas son árboles perennifolios, a pesar de que pierden sus hojas gradualmente después de algunos años. Las acículas de los pinos se mantienen fotosintéticamente activas durante 1 ó 2

Tallo

Zona de abscisión

Figura 4.21.

Pecíolo

Abscisión de la hoja.

En los vegetales de hoja caduca, la abscisión de la hoja se produce tras la formación de una zona de abscisión en el pecíolo, generalmente cerca del nudo.

años, ocasionalmente incluso durante una docena de años o más, dependiendo de la especie y de las condiciones del entorno. Se podría pensar que las hojas que persisten durante un año requieren menos energía que las que se renuevan cada año. Con todo, mantener las hojas durante una temporada fría o seca también requiere energía y supone muchas restricciones en lo que a forma y estructura foliares se refiere. Por ejemplo, las acículas del pino tienen unas cutículas extremadamente gruesas y otras adaptaciones estructurales que evitan la pérdida de agua durante el seco invierno. Las acículas del pino son hojas muy finas, a las que el hielo o la nieve no dañan fácilmente, pero, en cambio, presentan un área muy reducida para realizar la fotosíntesis.

Capítulo 4

18/11/05

16:44

Página 107

CAPÍTULO 4

Algunas hojas poseen funciones especializadas, además de la fotosíntesis y la transpiración Los vegetales han modificado las hojas para que desempeñen una serie de funciones específicas. Las hojas resistentes a las sequías presentan adaptaciones con el fin de disminuir la pérdida de agua. Los vegetales que se dan en ambientes secos y desérticos se conocen con el nombre de xerófitos (del griego xeros, «seco», y phyton, «vegetal»). Algunos vegetales desérticos sólo producen hojas durante e inmediatamente después de las estaciones lluviosas breves. Otros forman hojas o tallos gruesos y suculentos que retienen el agua durante los períodos secos. Las hojas de los vegetales desérticos suelen tener cutículas gruesas y estomas hundidos. Este tipo de estomas están protegidos del viento, minimizando así la pérdida de agua. Algunos vegetales presentan densas capas de tricomas que dan a la hoja un color blanco y un aspecto lanoso. Los tricomas reducen la pérdida de agua y evitan que la hoja se sobrecaliente. Las hojas protectoras se traducen en afiladas protuberancias que disuaden a los animales que quieren alimentarse del vegetal. Las espinas son hojas o estípulas modificadas y afiladas (Figura 4.22a). Algunas espinas se describen como hojas modificadas, pero en realidad son tallos modificados que surgen a partir de las yemas axilares que se encuentran donde la hoja se une al tallo. Las capas de células espinosas no son ni hojas ni tallos modificados, sino protuberancias que desarrollan las células de la epidermis o del córtex. Algunas plantas trepadoras forman zarcillos, que son formas finas y largas con capacidad de enrollarse en espiral, que se adhieren a una estructura de soporte. Normalmente, los zarcillos son hojas modificadas, como en el caso de la planta del guisante (Figura 4.22b), pero en algunos vegetales, las estípulas o los tallos pueden convertirse en zarcillos, como los tallos modificados de las viñas. Con frecuencia, los zarcillos que son tallos producen hojas. Los zarcillos siguen un tipo de crecimiento llamado tigmotropismo (del griego tigma, «contacto»). Cuando un zarcillo toca un objeto, el lado opuesto del mismo empieza a crecer rápidamente hasta que logra torcerse alrededor de lo que ha tocado. La cantidad de crecimiento depende del grado de estimulación, así que es necesario un contacto continuo para que el zarcillo se envuelva firmemente alrededor del objeto. Las hojas flotantes se dan en plantas como los nenúfares, que poseen hojas con cámaras de aire extra entre las células del mesófilo esponjoso, contribuyendo a que las

◆

La raíz, el tallo y las hojas: el cuerpo vegetal primario

107

hojas floten. También presentan menor cantidad de tejido vascular, ya que no tienen la necesidad de hacer ascender el agua desde la raíz, y tampoco necesitan mucho sostén. Por ende, los estomas de las hojas de las plantas flotantes, como los nenúfares, suelen encontrarse en el haz, en lugar de en el envés de las hojas. El nenúfar gigante del Amazonas, o Victoria amazonica, posee unas enormes hojas flotantes que pueden soportar el peso de un niño. Las hojas carnosas, son características de las plantas suculentas que crecen en el desierto de Kalahari, en el sur de África (Figura 4.22c). Estos vegetales resuelven los problemas que conllevan las áridas y calurosas condiciones del desierto enterrándose en la arena, con sus hojas apenas sobresaliendo por encima del terreno. El extremo de cada hoja, de quizás un centímetro de diámetro, contiene una cutícula de cera transparente que hace las veces de «ventana» para dejar pasar la luz. La luz atraviesa varias capas celulares transparentes de reserva de agua antes de llegar a las células fotosintéticas, que bordean la parte exterior de las hojas a mayor profundidad. Se podría pensar que las «ventanas» absorben la luz para incrementar la fotosíntesis de las hojas subterráneas. Sin embargo, las investigaciones al respecto demuestran que, cuando las «ventanas» se bloquean con cinta reflectante, el nivel de CO2 absorbido por éstas no disminuye de manera significativa. Por lo tanto, aún no se comprende del todo el significado ecológico de las «ventanas». Las brácteas son hojas modificadas que aparecen en la base de las flores, pero no son parte de las flores en realidad. Por ejemplo, las flores de Pascua (Euphorbia pulcherima) poseen brácteas rojas o blancas (Figura 4.22d). En los cornejos, las grandes brácteas blancas o rosas destacan mucho más que las flores. En numerosos vegetales, las hojas pueden ser un medio de reproducción asexual. Por ejemplo, si se extrae la hoja o el tallo de una violeta africana o de un cóleo, este esqueje puede enraizar tanto en agua como en tierra. Se puede recurrir a una hormona inductora del crecimiento de la raíz para acelerar la velocidad y la intensidad del enraizamiento, con el fin de que la hoja con raíces, denominada «esqueje foliar», pueda plantarse en el suelo. Las plantas de Begonia rex pueden reproducirse a partir de discos foliares que se extraen de las hojas y se colocan en papel de filtro humedecidos, donde las raíces surgirán a partir de los nervios seccionados del disco. Otro método consiste en colocar una hoja en el suelo y realizar secciones en los nervios más grandes, donde las raíces surgirán en las condiciones de humedad apropiadas. Con cualquiera de ambos métodos, las hojas que se extraen de

Capítulo 4

18/11/05

108

16:44

Página 108

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

(a) Espinas. Cuando las hojas o las estructuras asociadas a éstas producen proyecciones afiladas, se conocen con el nombre de espinas. Por ejemplo, el agracejo (Berberis dictophylla) produce espinas a partir de sus hojas.

(b) Zarcillos. Los zarcillos son hojas, estípulas o tallos modificados. En esta planta de guisante (Pisum sativum) el extremo de la hoja se ha convertido en un zarcillo, mientras que la base sigue teniendo forma de hoja. Si el zarcillo no toca un objeto, se tuerce alrededor de un eje central imaginario.

(c) Hojas suculentas, carnosas o jugosas. Las hojas suculentas se dan en unos pocos vegetales que crecen en regiones secas de altas temperaturas, como es el caso de Haworthia coeperi. La mayor parte de la planta, incluyendo la hoja, está enterrada en el suelo o en la arena. La parte superior de la hoja está expuesta al Sol y su superficie transparente, que actúa como una «ventana», recibe la luz que se transmite hasta la parte subterránea de la hoja, donde se produce la fotosíntesis.

(d) Brácteas. El rojo brillante de esta flor de Pascua no proviene de los pétalos de la flor, sino de las hojas modificadas llamadas brácteas, que se encuentran en la base de la flor. La flor de Pascua no tiene en realidad pétalos.

Figura 4.22.

Hojas modificadas.

(e) La lengua de suegra (Sansevieria) enraíza y florece muy rápido cuando las estacas de las hojas se plantan en compost.

Capítulo 4

18/11/05

16:45

Página 109

CAPÍTULO 4

◆

La raíz, el tallo y las hojas: el cuerpo vegetal primario

E V O L U C IÓ N Hojas que «comen» insectos

¿P

or qué hay algunas plantas cuyas hojas «comen» insectos? La respuesta tiene que ver con el nitrógeno y con el entorno. Por lo general, los vegetales obtienen el nitrógeno del suelo, amparándose con frecuencia en las bacterias fijadoras de nitrógeno. Sin embargo, los pantanos y las ciénagas disponen de muy poco nitrógeno, pues el medio ácido no es el más apropiado para el desarrollo de bacterias fijadoras de nitrógeno. Los epifitos, que suelen crecer sobre otros vegetales en lo más alto de las selvas tropicales, carecen también del nitrógeno suficiente. Se calcula que más de 200 especies de plantas han modificado sus hojas para atrapar insectos como fuente de nitrógeno alternativa. Entre estos vegetales, se encuentran la lentibularia común, la drosera, la venus atrapamoscas y la sarracenia. La lentibularia común (Utricularia vulgaris y especies próximas) es una planta acuática que produce pequeñas cámaras con una trampilla. Las cámaras, que suelen tener menos de medio centímetro de diámetro, abren sus puertas cuando un insecto acuático roza uno de sus cuatro pelos rígidos. El agua fluye hacia el interior de la cámara, arrastrando al insecto. La trampilla se cierra y las enzimas digieren a la desafortunada víctima. Las hojas de la drosera (Drosera rotundifolia y especies próximas) producen unos pegajosos pelos con una cobertura mucilaginosa, que atraen y atrapan a los insectos. Una vez el insecto está adherido a los pelos, la hoja se dobla a su alrededor. Las enzimas liberadas por la hoja y las bacterias asociadas digieren el insecto, y la hoja absorbe las moléculas digeridas. Tras la digestión, la hoja retoma su forma original y vuelve a segregar mucílago. La venus atrapamoscas (Dionaea muscipula) posee hojas que se doblan por la mitad, con ambas mitades enfrentadas como si de un cepo se tratase. Cuando un insecto toca dos de los tres pelos activadores que hay en cada mitad, la hoja se cierra de golpe y las enzimas digieren el insecto. La suciedad que ocasionalmente puede caer en una hoja no suele permitir que ésta se cierre. Diversos géneros de las sarracenias presentan hojas en forma de jarrón que recogen el agua. Las glándulas alrededor de los bordes segregan un néctar que atrae a los insectos. A menudo, los insectos caen en la trampa y se ahogan. Numerosas sarracenias presentan cerdas que apuntan hacia el interior, lo cual imposibilita la huida. En Malasia, algunas especies de ranas trepadoras depositan sus huevos en estas trampas, asegurándose así que la descendencia contará con suficiente agua y nutrientes. Los huevos producen enzimas que evitan la acción de las enzimas digestivas de la planta.

Drosera.

Sarracenia.

109

Capítulo 4

18/11/05

110

16:45

Página 110

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

la planta madre pueden producir raíces y yemas a partir de las superficies seccionadas de los pecíolos o los nervios de los limbos, sobre todo si las condiciones de humedad son las correctas y las hojas son suculentas. Las hojas insectívoras de diversas formas, los digieren para convertirlos en pequeñas moléculas que luego absorben para proporcionar nitrógeno al vegetal. El cuadro Evolución de la página anterior proporciona información sobre algunos de estos tipos de hojas modificadas.

Repaso de la sección 1. Describe cómo una hoja forma un primordio foliar. 2. ¿Cuáles son las funciones de la epidermis de la hoja? 3. ¿Cuál es la diferencia entre el mesófilo en empalizada y el mesófilo esponjoso? 4. Cita algunos ejemplos de hojas que se hayan adaptado a entornos específicos. 5. Describe tres tipos de hojas modificadas.

RESUMEN La raíz Un sistema radical axonomorfo o primario penetra más profundamente en el suelo que un sistema radical fasciculado (págs. 83-84) Un sistema radical axonomorfo posee una gran raíz principal, mientras que un sistema radical fasciculado carece de ella. El desarrollo de la raíz se produce cerca del ápice de la misma (págs. 84-85) Las células iniciales del pequeño centro quiescente del meristemo apical de la raíz producen células iniciales de sustitución y células derivadas que, a su vez, dan lugar a células especializadas. La cofia, caliptra o pilorriza protege el meristemo apical de la raíz y la ayuda a penetrar en el suelo (pág. 85) El meristemo apical de la raíz produce una cofia, caliptra o pilorriza, que protege el meristemo a medida que la raíz crece hacia el interior del suelo. Las células de la cofia producen mucigel, una sustancia viscosa que facilita el paso de la raíz a través de las partículas del suelo. La absorción de agua y minerales se produce fundamentalmente a través de los pelos radicales (págs. 85-86) En la zona de maduración, cerca del ápice de la raíz, algunas células epidérmicas se alargan para producir pelos radicales que absorben el agua y los minerales del suelo. La estructura primaria de la raíz se debe a su labor de obtención de agua y minerales disueltos (págs. 86-88) La mayoría de las raíces de Dicotiledóneas y Coníferas poseen un núcleo lobulado de xilema, con floema entre los lóbulos. La mayoría de las raíces de Dicotiledóneas tienen un núcleo de células no diferenciadas rodeado de anillos alternos de xilema y floema. Un periciclo, que da lugar a raíces ramificadas, rodea el cilindro vascular. La endodermis rodea el periciclo. La banda de Caspary evita que las sustancias entren en la estela sin pasar a través de las membranas celulares de las células de la endodermis.

Algunas raíces poseen funciones especializadas, además de anclar el vegetal y absorber agua y minerales (págs. 88-91) Algunas raíces modificadas producen yemas adventicias, anclan los vegetales epífitos, proporcionan una estabilidad reforzada gracias a los contrafuertes, suministran oxígeno a las raíces de los vegetales que crecen en pantanos o ciénagas, y almacenan agua o nutrientes. Las raíces contráctiles empujan al vegetal a mayor profundidad. Las raíces parásitas, conocidas como haustorios, penetran en los tallos y raíces de otros vegetales. Las raíces establecen relaciones cooperativas con otros organismos (pág. 91) Las micorrizas son asociaciones mutualistas entre las raíces de los vegetales y los hongos del suelo. Los vegetales incrementan la absorción de minerales y obtienen quizás protección contra enfermedades. Los hongos obtienen materiales orgánicos provenientes de los vegetales.

El tallo Los botánicos han desarrollado la teoría de zonación y la teoría túnica-cuerpo para describir el crecimiento del tallo (págs. 93) En ambos modelos, los meristemos apicales del vástago poseen una zona central de células iniciales de lenta división. Las células derivadas se trasladan a unas regiones de mayor división celular llamadas protodermis, meristemo fundamental y procámbium, y finalmente llegan a las zonas de elongación y maduración. En el crecimiento primario de la mayoría de los tallos, el tejido vascular forma haces independientes (págs. 94-95) Las secciones transversales de los tallos revelan las protostelas de algunas plantas sin semillas, las sifonostelas con intersticios foliares de algunos helechos, las eustelas con anillos de haces vasculares de la mayoría de las Dicotiledóneas y Coníferas, así como los haces vasculares dispersos de la mayoría de las Monocotiledóneas.

Capítulo 4

18/11/05

16:45

Página 111

CAPÍTULO 4

Una región de transición asegura la continuidad vascular entre raíz y tallo (págs. 95-96) En el lugar donde tallo y raíz se encuentran, la disposición vascular de una parte se fusiona con la de la otra. Los primordios foliares se originan en los laterales del meristemo apical del vástago, según un patrón específico (págs. 96-97) Los primordios foliares se forman según un patrón previsible, o filotaxis, en los laterales de los meristemos apicales del vástago. Las variaciones en el tallo reflejan las diferentes tendencias evolutivas (pág. 97) La palmera presenta un tallo con numerosos entrenudos alargados. La planta de trigo presenta un tallo con pocos entrenudos, de los cuales sólo se alargan algunos. Algunos tallos poseen funciones especializadas, además del sostén y la conducción (págs. 97-99) Ciertos tallos primarios especializados ayudan en la reproducción vegetativa (estolones y rizomas) o almacenan almidón (tubérculos, cormos o bulbos).

Las hojas Un primordio foliar se desarrolla mediante división, crecimiento y diferenciación celulares hasta convertirse en una hoja (pág. 101) Una protuberancia que se forma en el meristemo apical da lugar a un primordio foliar. El primordio foliar se convierte en un fino pecíolo con aspecto de tallo y en un limbo plano. En cada lado del limbo, una protuberancia de células divisibles controla la forma de la hoja. La epidermis de la hoja proporciona protección, además de regular el intercambio de gases (págs. 101-102) Las células de la epidermis producen una cutícula que reduce la pérdida de agua y la entrada de hongos y bacterias. El intercambio de CO2, O2 y vapor de agua con el aire se produce a través de los estomas, que son poros regulados por dos células oclusivas o células guarda. El mesófilo, tejido fundamental de las hojas, se encarga de llevar a cabo la fotosíntesis (págs. 102-103) Las células del mesófilo pueden formar filas celulares en empalizada en la parte de la hoja que más luz solar recibe. El mesófilo esponjoso permite el movimiento de gases a todas las partes de la hoja. El tejido vascular de una hoja se dispone en forma de nervios (pág. 103) Los haces de tejido vascular, denominados nervios, son una continuación del tejido vascular del tallo. Las Dicotiledóneas suelen presentar nervadura reticulada, mientras que las Monocotiledóneas presentan nervadura paralela.

◆

La raíz, el tallo y las hojas: el cuerpo vegetal primario

111

La forma y disposición de las hojas obedecen a causas medioambientales (págs. 104-106) Las hojas grandes y finas son más comunes en áreas de temperaturas frías, niveles de luz bajos, húmedas y carentes de viento. Las hojas más pequeñas con márgenes variables son más comunes en zonas de temperaturas templadas, niveles de luz elevados, secas y muy ventosas. La zona de abscisión se origina en el pecíolo de una hoja caduca (pág. 106) Los árboles de hoja caduca pierden todas sus hojas en ciertas estaciones del año. En las zonas de abscisión, el debilitamiento de las laminillas medias y de las paredes celulares es el punto de partida para la caída de las hojas. Algunas hojas poseen funciones especializadas, además de la fotosíntesis y la transpiración (pág. 107) Algunas hojas están diseñadas para resistir las sequías o para la protección. Otras están modificadas para sujetarse a estructuras o para flotar en el agua. Algunas forman coloridas brácteas que parecen ser parte de las flores, y otras pueden producir nuevos vegetales.

Cuestiones de repaso 1. ¿Cuáles son las funciones principales de una raíz? 2. ¿Por qué un árbol que normalmente desarrolla un sistema radical axonomorfo podría desarrollar un sistema radical superficial que se extendiese a lo largo de una gran área? 3. Describe el crecimiento longitudinal de una raíz. 4. ¿Cuál es la función de los pelos radicales? 5. ¿Por qué es importante la banda de Caspary? 6. Describe algunos tipos de raíces modificadas. 7. ¿Qué son las micorrizas? 8. ¿Por qué existe una zona de transición entre el tallo y la raíz? 9. Describe algunos tipos de tallos modificados. 10. ¿Qué dos funciones desempeña la transpiración en una hoja? 11. ¿Cómo se forma una hoja? 12. Expón algunos ejemplos que reflejen la adaptación medioambiental de la forma de las hojas. 13. ¿En qué se diferencia el mesófilo en empalizada del mesófilo esponjoso? 14. Describe algunos tipos de hojas modificadas.

Cuestiones para reflexionar y debatir 1. ¿Por qué crees que algunos vegetales son parásitos de otros? 2. ¿Por qué algunos vegetales almacenan carbohidratos en la raíz y en el tallo, y otros no? 3. Teniendo en cuenta lo que sabes sobre las células conductoras de xilema y floema, ¿por qué crees que en un sistema vascular, el xilema se suele encontrar en la parte interna y el floema en la parte externa?

Capítulo 4

18/11/05

112

16:45

Página 112

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

4. En un mismo vegetal, ¿por qué crees que la disposición del tejido vascular de la raíz es diferente a la del tejido vascular del tallo? 5. Si la concentración de CO2 en el aire sigue aumentando, ¿qué cambios podrías predecir en la futura evolución de los vegetales? 6. Algunos vegetales presentan muy poco desarrollo foliar, delegando la fotosíntesis al tallo. ¿Cómo explicarías esto? 7. Piensa en un determinado tipo de raíz, tallo u hoja modificados. Describe algunas posibles fases intermedias que hayan tenido como resultado esa modificación y explica por qué esas mutaciones podrían tener un significado selectivo para el vegetal en su ambiente. 8. Observa con atención la Figura 4.11, que muestra cómo la protostela de la raíz de un ranúnculo (Dicotiledónea) sufre una transición hacia la eustela del tallo. Dibuja un diagrama similar en el que se muestre cómo sería la transición en una Monocotiledónea.

Conexión evolutiva Las comparaciones entre las plantas vasculares vivas y fósiles hacen pensar a los botánicos que la eustela evolucionó a partir

de una protostela más primitiva. Si es así, ¿por qué crees que las raíces de las plantas con flores han mantenido casi sin modificaciones una disposición de tejido del tipo protostela, mientras que la disposición de los tallos de las plantas con flores es del tipo eustela?

Para saber más Bartoletti, C. Susan. Black Potatoes: The Story of the Great Iris Famine, 1845-1850. Boston: Houghton Mifflin, 2001. Un relato sobre los trágicos efectos de la Gran Hambruna en Irlanda. Bubel, Nancy. The New Seed Starter’s Handbook. Emmaus, PA: Rodale Press, 1998. Un libro excelente sobre cómo cultivar plantas a partir de semillas. D’Amato, Peter. The Savage Garden: Cultivating Carnivorous Plants. Berkeley, CA: Ten Speed Press, 1998. Este libro está escrito por un experto cultivador de plantas carnívoras. De Kruif, Paul. Los vencedores del hambre. Buenos Aires: Losada, 1943. La historia de las primeras investigaciones dirigidas a encontrar variedades mejoradas del trigo y de otros cultivos. Slack, Adrian, y Jane Gate (fotógrafa). Carnivorous Plants. Boston: MIT Press, 2000. Preciosas fotografías e interesantísimos detalles sobre las plantas insectívoras.

05_Capítulo

21/11/05

08:35

Página 113

5 Crecimiento vegetal secundario

El famoso ejemplar «milenario» de drago (Dracaena draco) de Icod de los Vinos, Tenerife (Islas Canarias).

Introducción al crecimiento secundario

y el parénquima radial, así como mayor cantidad de cámbium vascular

Usos comerciales de la madera y la corteza

Los meristemos laterales, cilindros de células divisibles, producen el tejido vascular y el tejido dérmico secundarios

La albura conduce agua y minerales, mientras que el duramen no

La madera se utiliza principalmente como combustible, para obtener productos de papel y para la construcción

El cámbium vascular da origen al xilema secundario (madera) y al floema secundario El cámbium suberoso o felógeno da origen al tejido dérmico secundario La corteza está formada por todos los tejidos externos al cámbium vascular

Patrones de crecimiento de la madera y la corteza El cámbium vascular produce el xilema secundario, el floema secundario

Los anillos de crecimiento de la madera reflejan la historia del crecimiento secundario de un árbol La dendrocronología es la ciencia que se ocupa de datar los anillos de un árbol, así como de la interpretación climática El patrón de crecimiento de la madera anormal o de reacción contrarresta la inclinación El cámbium suberoso o felógeno se renueva con el crecimiento del tallo y de la raíz Las lenticelas son poros en la corteza que facilitan el intercambio de gases

La estructura de la madera puede estudiarse según tres planos de sección Las propiedades de la madera, como la dureza y el veteado, pueden variar El látex, la resina y el sirope de arce son algunos de los productos que pueden obtenerse de los fluidos de la madera El corcho industrial procede de la parte gruesa externa de algunos árboles Los árboles son un recurso natural renovable, pero limitado

05_Capítulo

21/11/05

114

08:35

Página 114

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

adagascar, una isla situada cerca de la costa este africana, es el hogar de algunos de los árboles más curiosos del mundo, entre los que destaca el baobab gigante (Adansonia grandidieri). Cuenta una leyenda africana que el baobab fue el primer árbol en ser creado y, a medida que Dios iba creando al resto de los árboles, el baobab se volvía cada vez más celoso y hablador. Para hacerlo callar, Dios arrancó al baobab del Estos baobabs gigantes de Madagascar pertenecen a una rara especie que se encuentra amenazada. suelo y lo volvió a enterrar del revés. No en vano, cuando las ramas de los baobabs pierden sus hojas, parecen ser las raíces que se elevan al cielo. El baobab gigante es un ejemplo de planta con crecimiento secundario, es decir, tiene madera y corteza. Sin embargo, su tronco cilíndrico, que puede alcanzar 25 metros de altura y 3 de diámetro, contiene también células parenquimáticas para almacenar agua, haciendo posible que el árbol sobreviva al seco clima de la costa oeste de Madagascar. Al vaciarlos, los troncos de los baobabs gigantes se utilizan para fabricar cabañas o incluso, como en una ocasión, para construir una celda. Por otro lado, las fibras de su corteza se utilizan en la fabricación de cuerdas, papel y textiles. El baobab gigante es una de las 8 especies del género, de las cuales seis son endémicas de Madagascar, que ha estado geográficamente separada de la costa oriental de África desde hace más de 140 millones de años. Durante todo este tiempo, muchas especies de organismos propias de la isla han evolucionado en los manglares diferentes ecosistemas que ésta presenta, como los manglares a lo largo de la costa, los bosques tropicales, los bosques secos y los desiertos. En lo que a especies se refiere, Madagascar es una de las áreas más ricas del mundo, pues alberga cerca del 5% de todas las especies vivas de animales y vegetales. Estas últimas suman unas 10.000, de las cuales alrededor del 80% son exclusivas de la isla. Sólo la cima de una montaña puede contener 200 especies vegetales endémicas. Muchos de los vegetales y animales de Madagascar establecen interesantes mutualismos. Por ejemplo, las flores de la exótica palma del viajero (Ravenala madagascariensis) tienen un único polinizador: el lémur de collar blanco y negro, un primate que se alimenta de frutos y de néctar. Como el lémur es una especie amenazada, también lo es la palma. En ocasiones, el lémur también poliniza al baobab gigante, que produce grandes y aromáticas flores. Algunas plantas leñosas, como el baobab gigante, son atípicas. Por supuesto, hay muchas otras comunes. Las plantas leñosas comprenden todas las Gimnospermas, alrededor del 20% de todas las Dicotiledóneas y aproximadamente el 5% de las Monocotiledóneas. Como existen muy pocas Monocotiledóneas con crecimiento secundario, este capítulo se centrará en las Gimnospermas y en las Dicotiledóneas leñosas. Las Coníferas, como el pino, el abeto o la secuoya, son ejemplos de Gimnospermas leñosas, mientras que entre las Dicotiledóneas leñosas encontramos el roble, el arce y el nogal. Acabamos de ver en el Capítulo 4 cómo el crecimiento primario da lugar a la raíz, el tallo y las hojas. Veremos ahora cómo se desarrollan la corteza y la madera, cómo hacen que los tallos y las raíces sean más anchos y fuertes, y cómo generan productos para el uso humano.

M

Flor del baobab gigante.

05_Capítulo

21/11/05

08:35

Página 115

CAPÍTULO 5

Introducción al crecimiento secundario El crecimiento secundario es un aumento del perímetro de la planta que se origina mediante división celular en los meristemos laterales. El crecimiento primario y el secundario se producen de manera simultánea, pero en diferentes partes de la planta leñosa. A medida que el crecimiento primario continúa como resultado de la actividad de los meristemos apicales de las puntas del vástago y de la raíz, el crecimiento secundario ensancha las partes más antiguas del tallo y de la raíz que han cesado de crecer en longitud. Normalmente, el tallo presenta un mayor crecimiento secundario que la raíz. En un principio, veremos cómo se produce el crecimiento secundario en relación con el crecimiento primario.

Los meristemos laterales, cilindros de células divisibles, producen el tejido vascular y el tejido dérmico secundarios En el Capítulo 4 vimos que los meristemos apicales son las áreas de división celular que dan lugar a las tres regiones de mayor división celular: la protodermis, el procámbium y el meristemo fundamental. La protodermis produce el tejido dérmico primario, llamado epidermis; el procámbium produce el tejido vascular primario, y el meristemo fundamental produce el tejido fundamental: médula y córtex. El crecimiento primario es el crecimiento longitudinal y tiene lugar en las regiones de elongación celular, justo detrás de las regiones meristemáticas de células divisibles. La elongación celular va acompañada o seguida de la diferenciación celular de varios tipos de células maduras. Un proceso completamente diferente es el que hace que el tallo y la raíz crezcan en anchura y no en longitud. Como vimos en el Capítulo 3, los meristemos que producen crecimiento secundario se denominan meristemos laterales (también conocidos como meristemos secundarios) y son cilindros, en lugar de agrupaciones de células no diferenciadas. El crecimiento secundario no es longitudinal, sino radial, pues aumenta el diámetro del tallo o de la raíz a medida que las células divisibles producen crecimiento lateral. A lo largo de un meristemo lateral, se añaden células nuevas internamente, hacia el centro y externamente hacia la superficie del tallo o de la raíz. En realidad, la forma que presentan los meristemos laterales es más cónica que cilíndrica, dado que el crecimiento

◆

Crecimiento vegetal secundario

115

secundario se produce durante más tiempo en la base del tronco que en la parte superior. El crecimiento secundario se origina en las regiones de una planta leñosa donde el crecimiento primario ya ha cesado, especialmente durante el primer o el segundo año de crecimiento del vegetal. El proceso comienza cuando se revierten células diferenciadas para convertirse en células no diferenciadas, formando dos meristemos laterales que se denominan cámbium vascular y cámbium suberoso o del corcho. La palabra cámbium procede del término latino cambire, y significa «intercambiar». Las células del cámbium son células que han intercambiado su anterior función por una nueva, que consiste en dividirse repetidamente para producir nuevo crecimiento. Tal y como indica el nombre, el cámbium vascular da origen a los tejidos vasculares, que son conocidos como xilema secundario y floema secundario, con el fin de distinguirlos del xilema primario y el floema primario producidos por el procámbium. El cámbium vascular en sí se origina a partir de células del córtex y del procámbium. En la raíz, las células del periciclo también participan en este proceso. Por otro lado, el cámbium suberoso, también conocido como felógeno (del griego phello, «corcho», y genos, «nacimiento») se origina inicialmente a partir de células parenquimáticas del córtex y, ocasionalmente, del floema primario. El cámbium suberoso produce nuevo tejido dérmico, que sustituye por ende a la epidermis formada por la protodermis. La Figura 5.1 muestra de manera geMeristemos apicales del vástago Tejido dérmico secundario

Cámbium suberoso Floema secundario

Cámbium vascular

Cámbium vascular

Cámbium suberoso

Xilema secundario

Meristemos apicales de la raíz

Figura 5.1.

Localización de los meristemos apicales y laterales.

Los meristemos apicales producen el crecimiento primario, que otorga longitud al vástago y a la raíz. Los meristemos laterales (el cámbium vascular y el cámbium suberoso) son cilíndricos y producen el crecimiento secundario, que ensancha el tallo y la raíz.

05_Capítulo

21/11/05

116

08:35

Página 116

UNIDAD UNO

LAS

◆

Estructura de las plantas

PLANTA S

Y

L A S

P E R SO NA S

Árboles bonsái onsái es el arte de cultivar árboles en un espacio ◆ Selecciona una especie. Puedes utilizar árbolimitado simulando las condiciones les, arbustos o incluso trepadoras. Querrás medioambientales que dan a los árboles una planta relativamente pequeña, algunas de sus partes más extraordinarias y bellas. como las que se presentan en La técnica bonsái no consiste en atrofiar el pequeños recipientes y que crecimiento del árbol, sino en hacer que crezca pueden adquirirse en cuallentamente y en unas direcciones específicas. El quier vivero. objetivo es utilizar una planta pequeña para ◆ Selecciona un recipiente «sugerir» un paisaje natural de mayor tamaño. llano y decorativo. Un La palabra bonsái se traduce mutiladamente bonsái en un recipiente por «árbol plantado en bandeja». Los árboles vitrificado requerirá riebonsái son reproducciones en miniatura de gos menos frecuentes. árboles en su estado natural. Cuando se atienden ◆ Selecciona un ejemadecuadamente, estos árboles pueden vivir plar y poda las raíces durante años. Hoy en día, existen ejemplares de y los vástagos de mabonsái que cuentan con casi 500 años de nera que se adapten existencia. con facilidad al reciEl arte de cultivar árboles bonsái, que piente que has eleBosque en bonsái de alerces japoneses. se originó en China en el año 200 a.C. gido. Decide en qué y se extendió a Japón en el siglo X, incluye dirección quieres que una gran variedad de estilos de troncos y se dirija tu bonsái, y de escenas en que se plantan. Algunos dale forma en consecriterios de belleza contemplan la cuencia. forma y el tamaño de las raíces, así ◆ Añade pequeñas piedras en la parte inferior del como de las ramas y del tronco. Otro recipiente para procurarle un buen drenaje. Utiliza elemento importante es la tierra de maceta como medio de crecimiento. disposición de las ramas y Planta el bonsái. Cubre la superficie con guijadel follaje. Algunos bonsái rros o gravilla según tus gustos. presentan incluso ◆ Riégalo con frecuencia, sobre todo si el estructuras reproductoras recipiente es pequeño, y de vez en como piñas, flores o frutos. cuando añade pequeñas cantidades de Existen muchos estilos para abono de efecto lento. moldear los árboles bonsái con el fin ◆ Sitúa el bonsái en un lugar con un nivel de de imitar la naturaleza, como erecto luz similar al que tendría en su hábitat natuformal, erecto informal, inclinado, ral. Si el bonsái recibe mucha luz, riégalo con en cascada y barrido por el más frecuencia. viento. ◆ Coloca cinta o alambre alrededor de ramas Aunque el arte del bonsái separadas para estimular el crecimiento en puede resultar muy meticuloso una dirección determinada. Cuando una rama y complejo, he aquí una manera esté orientada correctamente, retira la cinta o rápida y fácil para crear esta Arce bonsái. el cable. forma de arte en miniatura con ◆ Ahora sólo queda experimentar y aprender con la pocos recursos y un tiempo y práctica. esfuerzo mínimos:

B

neral los meristemos implicados en el crecimiento primario y secundario. Cuando pensamos en plantas leñosas, nos vienen a la cabeza árboles de gran tamaño. No obstante, muchos ar-

bustos son bastante leñosos y algunas plantas «herbáceas» más pequeñas, como la alfalfa, forman tallos leñosos, incluso durante su primer año de crecimiento (véase el cuadro Las plantas y las personas en esta página).

05_Capítulo

21/11/05

08:35

Página 117

CAPÍTULO 5

El cámbium vascular da lugar al xilema secundario (madera) y al floema secundario Como vimos en el Capítulo 4, una sección transversal del tallo de una típica Dicotiledónea o Conífera nos muestra el xilema y el floema primarios formando anillos, completos o divididos, de haces vasculares, con el xilema de cara a la parte interna y el floema de cara a la externa. En una vista tridimensional, estos haces vasculares forman un cilindro. En los tallos de Dicotiledóneas y Coníferas, el crecimiento secundario comienza cuando las células del cámbium vascular se originan a partir de células del procámbium residual, que se encuentran entre el xilema y el floema primarios. Si los haces vasculares forman un anillo dividido, como muestra la Figura 5.2a, las células del cámbium vascular también se originan a partir de células parenquimáticas situadas entre los haces. Las células del cámbium vascular son células ya existentes que se convierten en meristemáticas en diferentes momentos, bajo la influencia de la hormona auxina, hasta que forman finalmente un cilindro completo que se extiende por el centro de cada haz vascular. En la raíz, la disposición del xilema y del floema primarios impide que el cámbium vascular se forme inicialmente siguiendo una configuración circular (Figura 5.2b). Las raíces de Dicotiledóneas y Coníferas tienen un cilindro central lobulado de xilema primario, con porciones de floema primario anidadas entre los lóbulos. El cámbium vascular de la raíz se forma primero en secciones separadas que, al crecer, se unen en una estructura irregular, 0entrelazándose entre el floema primario y los lóbulos del xilema primario. Las células del periciclo se convierten en

Epidermis

◆

Crecimiento vegetal secundario

117

cámbium vascular en la punta de los lóbulos xilemáticos. Aproximadamente en un año, los diferentes niveles de división celular en el cámbium vascular darán lugar a la formación de un cilindro. El xilema secundario amplía la capacidad del vegetal para transportar agua y minerales desde la raíz, además de aportar sostén estructural. El floema secundario incrementa el transporte de alimentos desde las hojas. Tanto el xilema secundario como el floema secundario contienen células conductoras, que sustituyen a células más antiguas que ya no conducen. Cada año, el cámbium vascular añade xilema secundario hacia la parte interna y floema secundario hacia la parte externa del cámbium vascular (Figura 5.3). El cámbium vascular del tallo, al igual que el de la raíz, produce mucho más xilema que floema. A medida que el tallo o la raíz crecen en anchura, los tejidos maduros del xilema primario y del floema primario son desplazados. Mientras tanto, el cámbium vascular aumenta su propio diámetro. Más adelante en este capítulo, veremos cómo las células del cámbium vascular se dividen para incrementar el diámetro del cámbium vascular y producir xilema secundario y floema secundario nuevos. El xilema secundario es lo que conocemos comúnmente como madera. No en vano, el término xilema proviene del la palabra griega xylon, que significa «madera». Al igual que el xilema primario, el xilema secundario consiste fundamentalmente en células muertas. Sólo las capas recién formadas de xilema secundario conducen agua y minerales, mientras que el xilema primario y el xilema secundario más antiguo permanecen inactivos. De manera similar, sólo las capas más recientes de floema secundario vivo conducen alimentos, pues las células del floema primario y del floema secundario más antiguo ya no fun-

Córtex

Córtex Epidermis

Endodermis Periciclo

Médula Floema primario

Xilema primario

Xilema primario Cámbium vascular

(a) Formación inicial del cámbium vascular en un tallo.

Figura 5.2.

Floema primario

Cámbium vascular (b) Formación inicial del cámbium vascular en una raíz.

Formación inicial del cámbium vascular en el tallo y en la raíz.

(a) En un tallo leñoso, el cámbium vascular se forma inicialmente entre el xilema y el floema primarios, en los haces vasculares y en el tejido parenquimático situado entre los haces. (b) En una raíz, el cámbium vascular no forma inicialmente un cilindro debido a la disposición lobulada del xilema primario.

05_Capítulo

21/11/05

118

08:35

Página 118

UNIDAD UNO

◆

Restos del córtex, floema primario y peridermis antigua

Estructura de las plantas

Súber o corcho

Cámbium suberoso

Cámbium suberoso más reciente

Felodermis

Felodermis más reciente

Capas de peridermis previas

Periciclo aumentado Floema primario

Xilema primario

Restos de la peridermis antigua

Floema secundario Xilema secundario

Cámbium vascular

(a) Crecimiento de un tallo después de varios años.

Figura 5.3.

Xilema primario

Floema secundario Xilema secundario

Cámbium vascular

(b) Crecimiento de una raíz tras varios años.

Crecimiento del tallo y de la raíz tras varios años.

(a) A medida que el tallo leñoso se expande en anchura, el xilema y el floema primarios son desplazados en tanto el cámbium vascular produce capas de xilema y floema secundarios. Mientras, la epidermis se rompe y finalmente se pierde, al igual que ocurre con las capas más antiguas de peridermis producidas por el cámbium suberoso anterior. (b) Según se expande en diámetro el cámbium vascular en la raíz, termina por adquirir una forma circular, y las capas de xilema y de floema secundarios se van asemejando a las del tallo. Mientras, las capas de peridermis han sustituido a la epidermis como cobertura externa de la raíz.

cionan como células conductoras. Las células del floema más antiguo ya no transportan porque las nuevas células producidas por el cámbium vascular las empujan hacia fuera, alargándolas y rompiéndolas. Las células del xilema más antiguo tampoco transportan, porque un número cada vez mayor de vasos ha roto las columnas de agua, y un número creciente de traqueidas contiene aire. Estos cambios serán discutidos en el Capítulo 10. El crecimiento secundario amplía las dos funciones básicas del tejido vascular: conducción y sostén. Debido al crecimiento secundario, las plantas pueden ser más altos y vivir más tiempo. La suma del xilema y el floema secundarios incrementa la capacidad del vegetal para conducir agua y nutrientes, aunque la forma y estructura básicas de las células conductoras permanecen igual. Las células que transportan agua y minerales (las traqueidas, en las Coníferas, y las traqueidas y los del vaso, en las Dicotiledóneas) funcionan de la misma manera en el xilema primario y en el secundario, a pesar de que las células del xilema secundario suelen poseer paredes más gruesas. Del mismo modo, las células que transportan alimentos (las células cribosas en las Coníferas y los elementos de los tubos cribosos en las Dicotiledóneas) funcionan de la misma manera en el floema primario y en el secundario. Lo que sí cambia es que las células del xilema secundario proporcionan un mayor sostén al vegetal, pues poseen más lignina, que añade una resistencia considerable al esque-

leto de celulosa de las paredes celulares. La lignina se acumula en las paredes celulares y entre ellas, sobre todo en el xilema secundario, y constituye hasta el 25% del peso seco de la madera. Es el segundo compuesto orgánico más común en la Tierra tras la celulosa. Sin la lignina adicional producida en el crecimiento secundario, los árboles no podrían crecer tan alto o resistir un viento fuerte, y la raíz no podría penetrar a través de las densas capas del suelo. En el Capítulo 7 veremos cómo la estructura de la lignina proporciona resistencia.

El cámbium suberoso o felógeno da origen al tejido dérmico secundario Como vimos en el Capítulo 3, existen dos tipos de tejido dérmico en las plantas vasculares: epidermis y peridermis. La epidermis y el córtex se forman durante el crecimiento primario y en los vegetales que presentan crecimiento secundario son sustituidos por la peridermis. La peridermis la produce el cámbium suberoso y está formada por el súber o corcho, la felodermis y las células del propio cámbium suberoso. El súber o corcho, también conocido como felema (del griego phellos, «corcho»), se forma hacia la parte externa del cámbium suberoso y consiste en células que mueren al alcanzar la madurez. La felodermis (del griego phellos, «corcho», y derma, «piel») es una fina capa de células parenquimáti-

05_Capítulo

21/11/05

08:35

Página 119

CAPÍTULO 5

cas vivas que se forma hacia el interior de cada cámbium suberoso. La primera capa de cámbium suberoso se forma al mismo tiempo o algo más tarde que el cámbium vascular, en las regiones del tallo o raíz donde el crecimiento primario ya ha cesado. Al contrario que el cámbium vascular, el cámbium suberoso no crece diametralmente. Cada año, ocasionalmente con menor frecuencia, se forma un nuevo cámbium suberoso dentro del antiguo, creando otra capa de peridermis dentro de la peridermis antigua. En el tallo, el primer cámbium suberoso surge a partir de células parenquimáticas en las capas más externas del córtex (Figura 5.4a). Cada nuevo cámbium suberoso se origina a partir del tejido suberoso hacia el interior hasta que, de este modo, el córtex termina por agotarse. A medida que el diámetro del tallo se expande debido a la acción del cámbium vascular, el córtex también se expande. Al no producirse división celular en el córtex, la expansión termina por hacer que éste se rompa y caiga del tallo. Cada cámbium suberoso sucesivo nace desde el floema secundario hacia el interior. En la raíz, el cámbium suberoso inicial se forma tras cambios en la endodermis y el periciclo, dos capas de las cuales carece el tallo (Figura 5.4b). Como las áreas radicales que experimentan crecimiento secundario ya no absorben agua ni minerales, la función filtradora de la endodermis ya no es necesaria, de manera que esta capa de

Súber o corcho (felema)

◆

Crecimiento vegetal secundario

tejido se convierte en inactivo. Entretanto, hacia el interior de la endodermis, del periciclo ya no da origen a raíces ramificadas, sino que se ensancha a medida que es desplazado hacia el exterior, mientras que el cámbium vascular incorpora capas de xilema y floema secundarios. A partir de la capa más externa de este periciclo agrandado surge el primer cámbium suberoso, que forma una capa de peridermis. Las capas más externas de la raíz (la endodermis, el córtex y la epidermis) se alargan y terminan por romperse y desprenderse, dejando la peridermis como cobertura externa. A medida que la raíz se expande (generalmente de manera más lenta que el tallo) se forman un cámbium suberoso y una peridermis nuevos dentro de los anteriores, en el interior del floema secundario antiguo. Más adelante veremos cómo se dividen las células del cámbium suberoso para producir las capas externas de un tallo o de una raíz.

La corteza está formada por todos los tejidos externos al cámbium vascular El término corteza se suele malinterpretar al utilizarse para hacer referencia simplemente a la superficie externa protectora de un árbol. Desde el punto de vista botánico, la corteza consiste en todos los tejidos externos subsiguientes al cámbium vascular; en otras palabras, la parte del tallo o Súber o corcho (felema)

Cámbium suberoso (felógeno) Felodermis

Rupturas de la epidermis

Restos de las rupturas de epidermis, córtex y endodermis

Xilema secundario

Cámbium vascular

(a) Formación inicial del cámbium suberoso en el tallo.

Figura 5.4.

Felodermis

Floema primario

Floema primario Floema secundario

Cámbium suberoso (felógeno)

Periciclo aumentado

Córtex

Xilema primario

119

Xilema primario Xilema secundario

Floema secundario Cámbium vascular

(b) Formación inicial del cámbium suberoso en la raíz.

Formación inicial del cámbium suberoso en el tallo y en la raíz.

(a) En un tallo leñoso, el cámbium suberoso inicial nace de la capa más externa del córtex. Hacia el interior, el cámbium suberoso produce una capa de células parenquimáticas vivas que se denomina felodermis. Hacia el exterior, produce una capa de células suberosas muertas. Cada cámbium suberoso sucesivo se forma hacia el interior. (b) En una raíz leñosa, el cámbium suberoso se forma a partir de la capa más externa del periciclo, el cual ha experimentado un aumento.

05_Capítulo

21/11/05

120

08:35

Página 120

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

de la raíz que rodea la madera. Cuando se retira la corteza de un árbol, también se suele retirar el cámbium vascular. La corteza presenta dos regiones distintas: corteza interna y corteza externa (Figura 5.5). La corteza interna consiste en el floema secundario vivo, el floema muerto alojado entre el cámbium vascular y el cámbium suberoso activo más interno, además de cualquier resto de córtex. Cada cámbium suberoso nuevo se forma dentro del anterior, en el floema secundario. Ahí, la estructura de la corteza interna del tallo se convierte en una miscelánea de floema secundario y peridermis. La corteza externa consiste en tejido muerto (incluido el floema secundario muerto y todas las capas de peridermis externas subsiguientes al cámbium suberoso más reciente). A medida que se construyen las capas de peridermis en la corteza externa, las capas más externas se van agrietando según diferentes patrones que varían de una especie a otra (Figura 5.6). Como la peridermis no sigue acumulándose, mientras que el xilema secundario sí, la corteza es mucho más delgada normalmente que la porción leñosa del tallo o la raíz. Con todo, algunos árboles, como la secuoya, producen una corteza de hasta 30 centímetros de grosor, que los

Capas rotas de peridermis Corteza externa (floema secundario muerto y capas antiguas de peridermis, fuera del cámbium suberoso actual) Xilema (madera)

Cámbium vascular

Figura 5.5.

Corteza interna (floema secundario vivo y felodermis, floema muerto y restos de córtex)

Corteza externa e interna.

La corteza consiste en todos los tejidos externos subsiguientes al cámbium vascular, en los que se incluyen el floema y la peridermis. La corteza interna consiste en floema secundario y felodermis vivos producidos por el cámbium suberoso más reciente. La corteza externa consiste en floema secundario muerto, peridermis del cámbium suberoso más temprano, ahora inactivo, y súber o corcho producido por el cámbium suberoso actual.

(a) Abedul blanco (Betula pendula)

Figura 5.6.

(b) Abedul (Betula albosinensis)

(c) Madroño (Arbutus menziesii )

Algunas variaciones de la corteza.

(a) Corteza gruesa y cuadriculada. (b) Corteza lisa. (c) Corteza delgada y rugosa.

protege contra los daños que produce el fuego. La ruptura de las capas más antiguas de peridermis ocasiona la apariencia rugosa de la corteza externa de la mayoría de los árboles, pero algunos otros, como el abedul, presentan una corteza relativamente lisa porque ésta se estira. A pesar de que la corteza es relativamente fina en comparación con la madera, es imprescindible para que el árbol se mantenga vivo. El tejido muerto de la corteza externa proporciona protección, mientras que el floema secundario vivo de la corteza interna transporta azúcar y otras moléculas orgánicas desde las hojas hasta la raíz. Como, por lo general, en la raíz no se suele llevar a cabo la fotosíntesis, ésta necesita el alimento que transporta el floema de la corteza. Si se retira la corteza entera de un árbol formando un anillo completo (un proceso llamado incisión anular), se interrumpe el transporte floemático entre el vástago y la raíz, lo que hace morir el árbol una vez se agota el alimento almacenado en la raíz. Si sólo quedara una estrecha banda de corteza interna, el árbol podría aún sobrevivir, porque se fabricaría nueva corteza a partir del floema remanente. La incisión anular es un acto típico del puercoespín que, para comerse la corteza (en realidad, lo que le interesa es llegar al floema rico en azúcar de la corteza interna), parece que le resulta más fácil moverse alrededor del árbol que trepar por él. Lógicamente, con esta acción suele matar el árbol. Como la corteza engloba todo el floema, también contiene, junto con las hojas, la mayoría de nutrientes acumulados. Por consiguiente, cuando se talan los árboles, puede mantenerse la fertilidad del suelo durante mucho tiempo dejando la corteza y las hojas en el mismo, una práctica que fomenta el desarrollo sostenible de los recursos forestales. La Figura 5.7 reproduce un esquema del crecimiento primario y secundario de un tallo leñoso. Como vimos en

05_Capítulo

21/11/05

08:35

Página 121

CAPÍTULO 5

◆

Crecimiento vegetal secundario

121

Meristemo apical Crecimiento primario de un tallo leñoso Epidermis Córtex Floema primario

Meristemos primarios:

Protodermis

Meristemo fundamental

Epidermis

Tejido fundamental: médula y córtex

Procámbium

Cámbium vascular Xilema primario Médula

Tejidos primarios:

Crecimiento primario y secundario de un tallo leñoso

Floema primario

Xilema primario

Súber o corcho Cámbium suberoso Felodermis Córtex Floema primario Floema secundario

Meristemos laterales:

Cámbium suberoso

Cámbium vascular

Cámbium vascular Xilema secundario

Tejidos secundarios:

Corcho

Felodermis

Floema secundario

Xilema secundario

Xilema primario Corteza

Médula

Figura 5.7.

Madera

Esquema de los meristemos y tejidos presentes en el crecimiento primario y secundario.

La raíz y el tallo poseen los mismos meristemos apicales y laterales, y las mismas capas de tejido dérmico y vascular. Este diagrama muestra un tallo leñoso típico. Generalmente, las raíces leñosas no suelen poseer una médula central.

las Figuras 5.2, 5.3 y 5.4, el crecimiento secundario de una raíz leñosa es muy similar al crecimiento secundario de un tallo leñoso. Tanto en el tallo como en la raíz, el cámbium vascular da lugar a la corteza interna y a la madera, mientras que el cámbium suberoso produce la corteza externa.

Repaso de la sección 1. Compara y contrasta los meristemos laterales y los meristemos apicales. 2. ¿Cuál es la función del cámbium vascular? 3. ¿Cuál es la función del cámbium suberoso y por qué se forma de manera diferente en la raíz y en el tallo?

4. Describe los componentes y las funciones básicas de la corteza.

Patrones de crecimiento de la madera y la corteza ¿Cómo se forman regiones oscuras y claras en la madera? ¿Por qué la corteza es típicamente rugosa e irregular? ¿Cómo puede un árbol de gran tamaño sobrevivir incluso cuando la mitad de su tronco se ha vaciado? En esta sección analizaremos estos y muchos otros aspectos del crecimiento de la madera y la corteza.

05_Capítulo

21/11/05

122

08:35

Página 122

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

El cámbium vascular produce el xilema secundario, el floema secundario y el parénquima radial, así como mayor cantidad de cámbium vascular La fuente, o el germen continuo de la madera de un árbol, es el cámbium vascular, que también produce el floema secundario, el cual conduce alimentos por la corteza interna. Hay dos tipos de células meristemáticas que forman el cámbium vascular: las células iniciales fusiformes y las células iniciales radiales. Al igual que las iniciales en los meristemos apicales, las células iniciales fusiformes pueden experimentar divisiones celulares periclinales (paralelas a la superficie del tallo o de la raíz) y anticlinales (perpendiculares a la superficie del tallo o de la raíz). Las divisiones celulares periclinales añaden grosor al tallo o a la raíz, dado que una célula hija permanece como meristemática en el interior del cámbium vascular y la otra célula hija madura ya sea hacia el interior o hacia el exterior del cámbium vascular (Figura 5.8). Las divisiones celulares anticlinales incrementan el diámetro del propio cámbium vascular, pues una célula inicial fusiforme o radial se divide de manera que las dos células hijas permanecen dentro del cámbium vascular como iniciales. Las células iniciales fusiformes (del latín fusus, «huso») nacen en el interior de los haces vasculares y producen nuevo tejido vascular (xilema hacia el interior y floema hacia el exterior). La palabra fusiforme significa «que se estrecha en cada extremo», refiriéndose a la forma esbelta de estas células alargadas, similar a la de las células conductoras que producen: las traqueidas y los vasos de xilema, y las células cribosas y los elementos de los tubos cri-

bosos del floema. Una célula inicial fusiforme puede dividirse de manera que una célula hija se convierte en xilema o floema, dependiendo del lado del cámbium vascular en que aparece. Mientras, la otra célula hija permanece como inicial fusiforme (Figura 5.9), Como ya hemos visto, una célula inicial fusiforme también puede dividirse para originar otras dos iniciales fusiformes que permanecen en el interior del cámbium vascular. Las células iniciales fusiformes, así como las células conductoras que producen, están alineadas a lo largo, es decir, paralelamente a la superficie del tallo o de la raíz. Las divisiones celulares de las células iniciales fusiformes suelen producir mucho más xilema que floema, y el crecimiento anual de xilema se vuelve visible en forma de anillo. Los anillos son perceptibles porque el tamaño de las nuevas células varía cada estación. Las células pequeñas del final del verano se distinguen con facilidad de las grandes células de la primavera siguiente. Los anillos de xilema se acumulan año tras año, pero los anillos más internos ya no conducen agua ni minerales. En el caso del floema, sólo las células del año en curso conducen alimentos. Las células de las capas de floema más externas y más antiguas pueden todavía contener algunas moléculas de azúcar adheridas a sus paredes celulares, pero ya están muertas. A medida que el cámbium vascular produce nuevas capas de floema, las capas más antiguas son desplazadas hacia la corteza externa y terminan por perderse. Las células iniciales radiales nacen normalmente entre los haces vasculares y suelen ser células cúbicas (Figura 5.10). No robustecen el árbol, pero producen células parenquimáticas cúbicas que funcionan principalmente como células de reserva y que también asumen parte del trans-

Cámbium vascular Hacia la superficie del tallo o de la raíz

La división celular anticlinal produce dos células cambiales

Figura 5.8.

División celular en el cámbium vascular.

Las células cambiales pueden dividirse paralela o perpendicularmente al cámbium vascular.

Dirección del crecimiento

La división celular periclinal produce una célula secundaria (xilema o floema) y una célula cambial

po Tiem Célula del floema secundario Célula inicial fusiforme

Figura 5.9.

Célula del xilema secundario

Desarrollo del cámbium vascular a través del tiempo.

Las células del cámbium vascular se dividen para producir xilema o floema.

05_Capítulo

21/11/05

08:35

Página 123

CAPÍTULO 5

Xilema primario

◆

Crecimiento vegetal secundario

123

Cámbium vascular

Floema primario

Elemento del vaso (xilema) Células iniciales radiales

Figura 5.10.

Células iniciales fusiformes

Vista tridimensional del tejido vascular de un tallo.

porte lateral. Cuando una célula inicial radial se divide de esta manera, una célula hija permanece como inicial radial, mientras que la otra se convierte en una célula parenquimática. Estas células parenquimáticas suelen agruparse en filas que se extienden hacia el exterior, a la manera de los radios de una rueda, y se distinguen perfectamente en las secciones transversales de troncos de árboles longevos. Las células radiales del floema secundario se conocen con el nombre de radio del floema, y las del xilema secundario se conocen con el nombre de radio del xilema. El radio es una disposición común de las Dicotiledóneas, en las que suele tener más de una célula de anchura. En las Coníferas y otras Gimnospermas es menos común y normalmente sólo presenta la anchura de una célula. Los radios se suelen acortar si la expansión de las células del xilema y del floema los bloquea por cualquier extremo o si cesa la división de las células iniciales radiales (Figura 5.11). Por supuesto, se debe tener en cuenta que el cámbium vascular es un cilindro de células en el que la división celular se produce en cada célula. Cuando se observa desde un lateral, las capas de células iniciales fusiformes pueden aparecer alineadas en filas perfectamente distinguibles dispuestas una encima de otra; se dice entonces que es un cámbium vascular estratificado. Por el contrario, si dichas capas aparecen agrupadas sin ningún orden, se dice que es un cámbium vascular no estratificado.

La albura conduce agua y minerales, mientras que el duramen no Pese a que, a lo largo de la vida de un árbol, el xilema contribuye a robustecer el tronco, las ramas o la raíz, cada

Traqueidas Radios

Figura 5.11.

Células xilemáticas y células radiales en un tallo de Dicotiledónea leñosa.

Esta vista tridimensional de una porción del tallo de una Dicotiledónea leñosa muestra la orientación longitudinal de las células xilemáticas en relación con las células radiales, que se disponen desde el centro hacia la superficie. Como se puede observar, a menudo, el crecimiento de las células conductoras, en este caso, de los vasos y de las traqueidas del xilema, interrumpe los radios. Una vista tridimensional de las células floemáticas y de los radios del floema sería similar a ésta.

anillo de xilema conduce agua y minerales sólo durante unos años antes de que sus columnas de agua se rompan, un proceso conocido con el nombre de cavitación. Los anillos más antiguos de xilema no conductores forman el centro del tronco o la raíz y se denominan duramen (Figura 5.12). Como el duramen no transporta agua ni minerales, un árbol de gran tamaño puede sobrevivir aunque el centro de su tronco esté vacío. Los anillos externos de xilema, conocidos como albura, son los que todavía transportan la savia xilemática. Dependiendo de la especie, un árbol puede presentar entre 1 y 12 anillos de xilema en su madera de albura, así como variaciones en la proporción de duramen y albura, y en el color de la madera. El duramen es normalmente más oscuro que la de albura, pero en algunas especies es difícil diferenciarlos. Por lo general, tanto el color del duramen como el de la albura se encuentra dentro de una gama de marrones, pero el tono puede variar mucho dependiendo de la especie, desde el gris pálido del fresno hasta el oscuro marrón chocolate del nogal negro.

05_Capítulo

21/11/05

124

08:35

Página 124

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

Corteza externa Corteza interna Cámbium vascular Albura (xilema activo) Duramen (xilema inactivo)

Figura 5.12.

Duramen y albura.

Los anillos más recientes y externos de xilema se mantienen activos, pues siguen transportando agua y minerales, y son conocidos con el nombre de albura. Los anillos más antiguos e internos, que ya no están implicados en la función de transporte, se conocen con el nombre de duramen. El duramen suele ser más oscuro debido a los depósitos de resinas, gomas y otros compuestos destinados a repeler los insectos.

(a) Anillos de crecimiento

Figura 5.13.

El xilema inactivo del duramen puede ser un peligro para el árbol al convertirse en una ruta de acceso para hongos invasores. Tras la cavitación, la intrusión de hongos en las células adyacentes vivas se suele evitar mediante la producción de tilosas, que taponan parcial o completamente las células del xilema. Una tilosa es simplemente una protuberancia del citoplasma de una célula parenquimática que sobresale hacia una célula conductora adyacente. Las células parenquimáticas también producen sustancias antibacterianas y antifúngicas que hacen que la madera sea a la vez aromática y resistente a la descomposición. Por ejemplo, la secuoya contiene grandes cantidades de compuestos preservativos, razón por la cual su madera se utiliza muy a menudo en la fabricación de mobiliario de exteriores y de cubiertas de barcos. Algunos árboles, como el chopo de Virginia, poseen pocos compuestos preservativos, y en ocasiones incluso carecen de ellos, por lo que su duramen se pudre con facilidad.

Los anillos de crecimiento de la madera reflejan la historia del crecimiento secundario de un árbol Los anillos de crecimiento son visibles a causa de la distinción entre la madera temprana producida en la primavera y la madera tardía producida al final del verano o durante el otoño (Figura 5.13a). En la primavera y al

(b) Transición entre los anillos de crecimiento

(c) Madera de anillos porosos

Los anillos de crecimiento reflejan la edad de un árbol.

(a) Esta sección transversal muestra los anillos de crecimiento. (b) Esta micrografía muestra la transición entre las células más pequeñas del crecimiento de final de verano y las células grandes del crecimiento de primavera. El contraste se percibe como un anillo de crecimiento. (c) Esta micrografía muestra una madera de anillos porosos, en la que los vasos se localizan principalmente en la madera temprana.

05_Capítulo

21/11/05

08:35

Página 125

CAPÍTULO 5

principio del verano, a medida que los días son más largos, húmedos y luminosos, el cámbium vascular produce células grandes con paredes celulares secundarias relativamente delgadas (Figura 5.13b). Al final del verano, a medida que los días son más cortos y fríos, el cámbium vascular produce células más pequeñas con paredes celulares más gruesas. La señal divisoria entre la madera de final de verano de un año y la madera de la primavera del año siguiente es una línea visible entre los anillos de crecimiento. En la mayoría de las regiones del mundo, los árboles producen un anillo de crecimiento por año natural, pero algunos lugares presentan dos estaciones de lluvia por año, lo que da lugar a dos anillos de crecimiento. Los árboles de algunas regiones tropicales carecen de anillos de crecimiento claramente visibles porque el crecimiento prosigue durante todo el año. La anchura de un anillo de crecimiento puede aportar datos sobre la estación en que se produjo. Un anillo grueso es resultado de una estación con buenas condiciones de crecimiento, mientras que un anillo delgado indica todo lo contrario. Las variaciones en la anchura de un anillo debido a factores ambientales tienen lugar cuando el agua, la temperatura y la nutrición resultan limitantes para la capacidad de crecimiento del árbol. Por el contrario, cuando el agua es abundante, la tierra es buena y la localización es la correcta, los anillos son mucho más uniformes. Los modelos de distribución de los vasos en los anillos anuales varían según la especie de Dicotiledónea. Algunos árboles, como el roble o el sasafrás, presentan madera de anillos porosos, en la que los vasos se originan principalmente en la madera de primavera (Figura 5.13c). En otros árboles, como el álamo temblón o el arce azucarero, los vasos se originan por todo el anillo anual, según un patrón que se conoce como madera de poros difusos.

◆

Crecimiento vegetal secundario

125

nus longaeva), que crece en las condiciones extremas de las Montañas Blancas de California (Figura 5.14). Se estima que este envejecido pino tiene una edad de 4.900 años, y se le dio el nombre de Matusalén en referencia al anciano patriarca del Antiguo Testamento. Numerosos pinos antiguos de esta especie presentan un gran número de anillos de crecimiento, pero no son árboles voluminosos, ya que 1.000 años de crecimiento sólo ocupan unos 15 centímetros de ancho. Los anillos de crecimiento no sólo pueden revelar la edad del árbol, sino también detalles sobre los cambios climáticos y sobre la historia humana. Por ejemplo, un modelo de 20 anillos de crecimiento finos y 2 anchos podría indicar que una sequía de 20 años fue seguida de 2 años de abundantes precipitaciones. Los acontecimientos y utensilios humanos también pueden datarse analizando estos anillos (véase el cuadro El fascinante mundo de las plantas en la página 127). En el suroeste americano, la dendrocronología se ha utilizado para datar las antiguas moradas en acantilados de los indios nativos americanos.

La dendrocronología es la ciencia que se ocupa de datar los anillos de un árbol, así como de la interpretación climática Ya sabemos que la edad de un árbol se puede determinar contando los anillos de crecimiento, y quizás hayamos visto tocones o secciones de gran tamaño de árboles en museos, cuyos anillos se corresponden con acontecimientos históricos, como la llegada de Colón a América en 1492. La ciencia que se encarga de datar los anillos de los árboles recibe el nombre de dendrocronología (del griego dendron, «árbol», y chronos, «tiempo»). Esta ciencia es la que se ha utilizado para identificar el que quizás es el organismo vivo más antiguo, el pino de Great Basin (Pi-

Figura 5.14.

Pino de Great Basin, ¿el organismo vivo más antiguo?

Uno de estos pinos de Great Basin (Pinus longaeva) de las Montañas Blancas de California tiene más de 4.000 años de antigüedad y podría ser el organismo vivo conocido más antiguo, a tenor de los estudios de sus anillos de crecimiento. Los científicos no revelan cuál de ellos, conocido como Matusalén, es el más longevo (viejo).

05_Capítulo

21/11/05

126

08:35

Página 126

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

Por ejemplo, si el crecimiento de un árbol vivo rompe un tejado, sabemos que la vivienda es más antigua que el árbol. Asimismo, si hay un tronco de árbol incorporado a unas ruinas, podemos determinar aproximadamente cuándo se realizó la construcción. Los científicos no necesitan talar un árbol para examinar sus anillos, porque pueden, con una barrena, extraer un pequeño cilindro de madera que revela el patrón de anillos de crecimiento sin necesidad de dañar el árbol. La secuencia de anillos de crecimiento de árboles vivos puede superponerse con el de aquellos muertos para ampliar la capacidad de datar algo que se produjo miles de años atrás. La dendrocronología también ha sido empleada para datar piezas de madera de los restos de hogueras antiguas de hace unos 9.000 años.

El patrón de crecimiento de la madera anormal o de reacción contrarresta la inclinación En ocasiones, el crecimiento de los anillos puede ser irregular como resultado de la respuesta del árbol a las fuerzas del viento y de la gravedad. En los troncos o ramas inclinados, la madera anormal o de reacción puede desarrollarse como un aparente contrapeso (Figura 5.15). En las Dicotiledóneas, la madera anormal o de reacción se

Figura 5.15.

Madera de reacción.

Esta sección transversal de la rama de una Conífera presenta madera de comprensión en la parte inferior. Los anillos de crecimiento más gruesos ayudan a soportar el peso horizontal de la rama.

forma en la parte superior del tronco y ramas inclinados, y se denomina madera de tensión, pues «tira» del tronco o rama hacia una posición vertical. La madera de tensión presenta anillos de crecimiento más anchos en la parte superior, pero menos pesados dado que contienen poca lignina o incluso ninguna. En las Coníferas, la madera anormal o de reacción se produce en la parte inferior de un tronco o rama inclinados, y se denomina madera de compresión, pues «empuja» al tronco o rama hacia una posición vertical. La madera de compresión presenta anillos de crecimiento más anchos en la parte inferior y es rica en lignina, lo que le otorga una mayor resistencia. Tanto la madera de tensión como la de compresión se contraen más al secarse que la madera normal. Las láminas que contienen madera anormal o de reacción no pueden utilizarse en la mayoría de los trabajos, porque se contrae a un ritmo y un grado diferentes, además de presentar irregularidades en su resistencia.

El cámbium suberoso o felógeno se renueva con el crecimiento del tallo y de la raíz A medida que la acción del cámbium vascular ensancha un tallo o una raíz, las capas más externas producidas por el crecimiento primario (el córtex y la epidermis) se alargan y se quiebran, pues ya han cesado de crecer. Si el cámbium suberoso no se formase, la pérdida del córtex y de la epidermis dejaría al árbol sin una cobertura protectora externa. El nivel de pérdida de agua aumentaría y, en consecuencia, el tallo y la raíz se secarían. Éstos también estarían expuestos a la infección por enfermedades y a la predación por insectos y otros organismos atraídos por el expuesto floema rico en azúcar. La formación de cámbium suberoso impide que se dé esta situación. A medida que las células suberosas producidas por el cámbium suberoso se agrandan y maduran, sus paredes celulares se cubren e impregnan de una sustancia grasa llamada suberina, que las hace impermeables al agua, a la vez que impide que la savia del floema rico en azúcar se filtre hacia la superficie. De este modo, la suberina hace que el tallo y la raíz resulten menos atractivos a los animales. Después de que las células del cámbium suberoso mueren, siguen funcionando como «armadura» alrededor de los tejidos vasculares. Las células del cámbium suberoso, que suelen ser de forma cúbica, se dividen para producir células suberosas hacia el exterior o células de la felodermis hacia el interior. Al contrario que las células del cámbium vascular, las células del cámbium suberoso no se dividen para producir

05_Capítulo

21/11/05

08:35

Página 127

CAPÍTULO 5

◆

Crecimiento vegetal secundario

127

EL FASCINANTE MUNDO DE LAS PLANTAS Pistas arbóreas para resolver un misterio colonial

IÍndice de severidad de la sequía de Palmer (PDSI) para el mes de julio

En mayo de 1587, más de 100 colonos británicos llegaron a la isla de Roanoke, una de las islas de la costa de Outer Banks, en Carolina del Norte. Las cosas no fueron bien y, en agosto, decidieron enviar a su Gobernador, John White, de vuelta a Inglaterra para solicitar los abastecimientos que necesitaban con urgencia. Sin embargo, estalló la guerra entre España e Inglaterra y White no pudo regresar en tres años. Cuando en 1590 volvió al fin, todo rastro de los colonos había desaparecido, excepto unas letras, CRO, que habían sido grabadas en un árbol, y la palabra, Croatoan, grabada en otro. Croatoan era el nombre de una tribu india y también el nombre de una isla vecina, que podía sugerir que quizás los colonos se habían mudado allí. Sin embargo, jamás se volvió a saber nada de ellos. Una segunda colonia en Jamestown, Virginia, estuvo casi a punto de desaparecer, puesto que sólo 38 de sus 104 colonos originales lograron sobrevivir al primer año. Los escritos demuestran que los colonos se quejaban de hambre y de sed. El capitán John Smith (el mismo del famoso cuento de Pocahontas), informó que los indios habían rechazado compartir el alimento con ellos, ya que les preocupaba su propio abastecimiento. En 1998, algunos científicos publicaron datos sobre investigaciones llevadas a cabo en los anillos de los viejos cipreses de los pantanos existentes en el área de estas colonias. Como sabemos, la anchura de los anillos se corresponde con las condiciones de crecimiento de un año en concreto. Los anillos más anchos son un símbolo de buenas condiciones, mientras que los estrechos indican condiciones pobres. Parece ser que los colonos ingleses se asentaron en Roanoke durante la peor sequía de 3 años en el área en 800 años. Asimismo, los residentes en Jamestown sufrieron el septenio más seco que ha habido entre 1215 y 1998. Estas pistas que nos brinda la dendrocronología podrían explicar el fracaso de una colonia y el que otra estuvo a punto de sufrir.

«Construcción del Fuerte James», 1607.

Anillos de crecimiento de un antiguo ciprés de los pantanos cercano al lugar de asentamiento de la colonia de Roanoke.

Humedad

4

0

Sequía de la colonia perdida: 1587–1589 1600 1560

–4

Sequía de Jamestown: 1606 –1612 1640

1680

Año

Gráfico de datos de la anchura de los anillos.

Sequía 1720

05_Capítulo

21/11/05

128

08:35

Página 128

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

nuevas células del cámbium. Por esta razón, el cámbium suberoso no puede aumentar su diámetro y termina por ser demasiado pequeño para la raíz o el tallo crecientes. A medida que éstos ganan anchura, el cámbium suberoso y la felodermis se alargan y se separan, pasando a formar parte de la corteza externa. Entonces, un nuevo cámbium suberoso se forma dentro del anterior, creando otra capa de peridermis. El cámbium suberoso y las células de la felodermis vivas que produce están relativamente aislados del agua y de los minerales del xilema, así como de los carbohidratos del floema vivo. Ésta podría ser otra razón por la que cada cierto tiempo se forma un nuevo cámbium suberoso dentro del anterior. Generalmente, el primer cámbium suberoso se origina durante el primer o el segundo año de la vida de un árbol, y puede permanecer activo durante un año o hasta dos docenas de años si la anchura del árbol no se incrementa con rapidez. A pesar de que cada cámbium suberoso sucesivo crea su propia capa de peridermis, la corteza externa de la mayoría de los árboles no se engrosa demasiado, ya que la corteza antigua se rompe y se desprende cada año como resultado de la fuerza del nuevo crecimiento que se produce debajo.

Las lenticelas son poros en la corteza que facilitan el intercambio de gases La suberina de las paredes celulares del cámbium suberoso bloquea el paso de oxígeno hacia el tallo o la raíz. Por ello, el tallo y la raíz presentan lenticelas, pequeñas aberturas en la corteza externa donde la capa suberosa es delgada y hay suficiente espacio entre las células para permitir el intercambio de gases (Figura 5.16). A medida que aparece un nuevo cámbium suberoso, se originan nuevas lenticelas que se alinean con las lenticelas más externas, proporcionando una ruta continua para el oxígeno. En los árboles cuya corteza es lisa, las lenticelas son fácilmente distinguibles, y suelen aparecer formando franjas cortas, hendiduras o puntos abultados en la superficie de ramitas y ramas, del tronco y de la raíz. Si la corteza es más gruesa y rugosa, las lenticelas surgen en la base de las grietas y no son fácilmente visibles. Además de aparecer en el tallo y en la raíz, las lenticelas pueden apreciarse en forma de puntos o franjas en la superficie de algunas frutas, como las manzanas y las peras. Las lenticelas son también visibles como marcas en el corcho utilizado en productos comerciales. En la siguiente sección, veremos los diferentes productos que se fabrican a partir de la madera y de la corteza.

Abedul (Betula albosinensis)

Figura 5.16.

Lenticelas.

El intercambio de gases de la raíz y del tallo con el interior y el exterior tiene lugar gracias a las lenticelas, que se originan mediante la rápida división y crecimiento de las células suberosas que rompen la epidermis y estrechan la capa suberosa. Los gases, y el oxígeno en particular, se difunden a través de los espacios entre las células suberosas restantes, pues éstas son redondas y no encajan herméticamente unas con otras.

Repaso de la sección 1. Compara la estructura y las funciones de los dos tipos de células meristemáticas del cámbium vascular. 2. ¿En qué se diferencian la madera de duramen y la de albura? 3. ¿Qué nos dicen los anillos de crecimiento sobre la vida de un árbol? 4. ¿En qué se diferencia el desarrollo de la corteza del de la madera?

Usos comerciales de la madera y la corteza Hasta ahora hemos examinado cómo el crecimiento secundario proporciona sostén, conducción y protección adicionales a una planta leñosa. Al mismo tiempo, las variaciones en los patrones de crecimiento y otras características físicas de la madera y la corteza pueden tener importantes consecuencias para el uso humano. En esta sección veremos, de manera general, cómo las cualidades de la madera y la corteza las aprovechan para convertirse en diversos productos.

05_Capítulo

21/11/05

08:35

Página 129

CAPÍTULO 5

◆

Crecimiento vegetal secundario

129

La madera se utiliza principalmente como combustible, para obtener productos de papel y para la construcción Mundialmente, los dos usos principales de la madera son como papel y como combustible. Mientras la mayoría de los países desarrollados utilizan la electricidad y los combustibles fósiles como el gas para producir calor y para cocinar, la mayoría de la población mundial utiliza la madera, lo que equivale a cerca de la mitad de la madera talada. Aproximadamente la misma cantidad se utiliza para la fabricación de papel, una fina película de celulosa elaborada a partir de pulpa de madera, una solución de agua y madera prensada (Figura 5.17). Antes de alcanzar la mitad del siglo XIX, en Occidente se solía utilizar papel fabricado a partir de lino, pero la invención de máquinas que fabricaban papel a partir de la pulpa de madera hizo que los árboles se convirtieran en la fuente más económica. Más de la mitad de los árboles talados anualmente en Estados Unidos se destina a la producción de papel y productos derivados, siendo la pícea blanca (Picea glauca) la especie más utilizada para obtener el papel de los periódicos. En todo el mundo, una persona media utiliza unos 15 kilogramos de papel al año, mientras que un norteamericano medio utiliza unos 333 kilogramos durante el mismo período de tiempo. Un árbol medio produce el equivalente a 200 copias de la sección de anuncios por palabras de un típico periódico dominical, mientras que para imprimir una sola edición de un periódico universitario1 se necesita la pulpa de hasta dos hectáreas de árboles. Aproximadamente una tercera parte del papel que se utiliza en todo el mundo, y casi la mitad del papel que se utiliza en Estados Unidos, es reciclado. No obstante, la tala de árboles para la fabricación de papel sigue en aumento debido al continuo crecimiento de la población mundial y del uso de impresoras, fotocopiadoras y ordenadores personales. Según algunas cifras, sólo los ordenadores y las impresoras han incrementado el uso de papel en casi 100.000 millones de folios por año, y se calcula que en los próximos 50 años la demanda de pulpa de madera se duplicará. Únicamente cerca de una cuarta parte de la producción mundial de pasta de papel procede de bosques ges1

N. de T.: Debemos tener en cuenta que un «típico periódico dominical» en EE UU puede ser con diferencia mucho más extenso que un periódico dominical español. Del mismo modo, la tradición del periodismo universitario está más arraigada en el país norteamericano y, por tanto, la edición referida también puede contener más páginas que una edición de un periódico universitario español. Luego estos ejemplos son relativos.

Figura 5.17.

Fabricación de papel.

Esta máquina de avanzada automatización fabrica papel a partir de una solución líquida de troncos de árboles.

tionados para la producción de pasta de año en año. Mundialmente, la demanda actual de papel y de sus productos derivados podría abastecerse cultivando un área equivalente a la superficie del Estado de California, siempre y cuando la tierra se gestionase correctamente para obtener una producción continua. Sin embargo, el uso de los recursos forestales para la producción de papel debe competir con otros usos potenciales de la tierra. Si se empleasen cultivos no forestales como fuente de pasta, esta área podría reducirse considerablemente. El papel puede obtenerse a partir de muchas plantas que crecen más rápido que los árboles. Un recurso muy prometedor es el kenaf (Hibiscus cannabinus), que es un cultivo anual resistente a las sequías que puede llegar a crecer hasta 4,5 metros en un período de cinco meses y requiere escasa o nula cantidad de pesticidas o herbicidas (Figura 5.18). Aunque es nativo del África Central, el kenaf puede cultivarse en muchas zonas de clima cálido. Una de las ventajas que ofrece es que puede aprovecharse toda la planta. Alrededor de un tercio de la misma está constituida por fibras floemáticas que pueden utilizarse para fabricar papel, cuerda, cordel, sacos e incluso tela. Los dos tercios restantes (las fibras internas) se pueden utilizar como lecho para animales, tierra de cultivo, materiales absorbentes de aceites y relleno de plástico. El kenaf requiere menos energía que los árboles para producir pasta y es además mucho más resistente. El kenaf y otras fuentes alternativas de pasta desempeñarán sin duda un papel importantísimo en la futura producción de papel. En el uso mundial de la madera, la construcción ocupa un lejano tercer lugar tras el combustible y el papel. Sin

05_Capítulo

21/11/05

130

08:35

Página 130

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

Corte tangencial

Corte radial o al cuarto Corte transversal

Figura 5.19.

Cortes de madera industrial.

En los aserraderos o almacenes de madera, ésta se puede cortar de forma tangencial, radial o al cuarto, o transversal. La mayoría de las grandes planchas que encontramos en estos almacenes se cortan de manera tangencial. La madera que se corta radial o al cuarto posee un veteado más uniforme y es más resistente, pero se obtienen pocos cortes por tronco. La madera que se corta de manera transversal es la que se utiliza como leña. Figura 5.18.

El kenaf, una fuente alternativa no leñosa para pasta de papel.

El kenaf puede cultivarse en los campos de regiones de clima templado. Crece mucho y rápido, y produce un tallo que puede usarse casi al completo en la fabricación de papel.

embargo, la madera es aún el principal material de construcción en los países en desarrollo, donde la mayoría de las personas no pueden permitirse otro material. Incluso en Estados Unidos, el 94% de las casas tienen al menos un marco o estructura de madera, fabricado normalmente con madera de pino de Oregón. La madera de la tuya o cedro rojo es la favorita para fabricar tejas de madera, mientras que la madera de roble se suele utilizar para fabricar suelos de madera dura, para los barcos y para las traviesas de las vías férreas.

La estructura de la madera puede estudiarse según tres planos de sección La madera que encontramos en un almacén puede tener diversos aspectos dependiendo de cómo esté cortada (Figura 5.19). Un corte transversal proporciona una sección circular de través. Un corte radial es longitudinal y atraviesa el centro del tallo. Un corte tangencial es también longitudinal, pero atraviesa el radio en ángulo recto en lugar de atravesar el centro del tallo. En cuanto a las maderas industriales, se pueden obtener planchas rectangulares mediante dos procesos. En el

aserrado tangencial, los anillos de crecimiento son muy variables y suelen ser líneas onduladas más o menos paralelas. Como este tipo de plancha se suele combar, apenas se utiliza en proyectos de construcción. En el aserrado radial o al cuarto, los anillos de crecimiento dibujan líneas paralelas dispuestas a lo largo de la tabla. Este tipo de tabla uniforme no se comba, pero el aserrado malgasta mucha madera y debe ser muy exacto. La chapa, que es un conjunto de restos de grandes troncos, consiste en un corte tangencial continuo con un mínimo ángulo, de manera que el corte no se interrumpe. Normalmente suelen tener 1 ó 2 milímetros de grosor y se utilizan para dar una apariencia externa bonita al revestir maderas o compuestos más baratos o menos bonitos, como los aglomerados en la fabricación de mobiliario o de paneles. El contrachapado es el resultado de pegar varias chapas más gruesas para una mayor resistencia. Normalmente, cada capa se adhiere en diferente orientación a la anterior para obtener más resistencia. El aglomerado está hecho de trocitos de madera o de astillas pegados entre sí.

Las propiedades de la madera, como la dureza y el veteado, pueden variar Como podremos imaginar, las características de la madera han sido estudiadas en profundidad tanto desde el punto de vista práctico como botánico. Entre las propiedades de la madera encontramos la dureza, la densidad, la

05_Capítulo

21/11/05

08:35

Página 131

CAPÍTULO 5

durabilidad, el veteado, la textura y el contenido de humedad. Según sus propiedades, algunos tipos de madera se usan fundamentalmente para un fin, mientras que otros tienen diversos usos. Por ejemplo, la pícea roja es la fuente principal de pulpa de madera, pero también se utiliza para fabricar tablas armónicas para pianos y remos para barcas. El nogal americano, una fuente importante para la fabricación de mangos de herramientas, se utiliza también para ahumar la carne. El pino tea se usa no sólo para obtener pulpa de madera y aguarrás, sino también para fabricar las traviesas de las vías férreas y numerosas piezas de madera para la construcción. La madera de las Dicotiledóneas, como el nogal americano, el arce y el roble, se denomina comúnmente madera dura o de frondosas, porque contiene muchas fibras, lo que dificulta las acciones de clavar y aserrar, pero también la hace más resistente a los daños. Estas cualidades hacen que la madera dura sea un componente excelente para muchos productos duraderos (Figura 5.20). Por lo general, la madera dura tiene un mayor contenido energético con respecto a su peso específico que la madera de Gimnospermas como las Coníferas. Por esta razón, es excelente para producir leña y carbón vegetal, ya que arde durante mucho tiempo. El carbón vegetal se fabrica quemando madera dura en una atmósfera pobre en oxígeno, con lo que la mayoría del carbono se mantiene, mientras que los componentes líquidos de la madera se evaporan. Por el contrario, la madera de las Coníferas recibe el nombre de madera blanda o resinosa, pues suele conte-

Mástil de nogal Traste de palo rosa Cuerpo de caoba

Parte frontal de pícea de Sitka Traste de ébano Mástil, cantos y reverso de arce tipo «eastern culy»

Figura 5.20.

Las guitarras se fabrican con diferentes variedades de madera dura.

◆

Crecimiento vegetal secundario

131

ner menos fibras y carece de vasos, lo que la hace más blanda que la madera de Dicotiledóneas. En términos generales, la madera de las Coníferas es menos densa y por tanto flota con más facilidad, pero también arde con más rapidez. Es más fácil de aserrar, pero es también más vulnerable a los daños. El pino de Oregón, el árbol más común en los bosques del oeste de Estados Unidos, es fuente de la mayor parte de madera blanda utilizada en la construcción. Los términos madera dura y madera blanda son generalizaciones, pues no todas las Dicotiledóneas son de madera dura ni todas las Coníferas son de madera blanda. Por ejemplo, la madera de balsa es extremadamente blanda y ligera, y procede de una Dicotiledónea tropical, mientras que ciertas especies de pinos presentan una madera más dura que la de algunos árboles dicotiledóneos. La dureza real de la madera depende de la densidad, o la cantidad de materia por unidad de volumen. Una característica relacionada es la gravedad específica, o la proporción entre el peso de la madera y el peso correspondiente al volumen equivalente del agua a temperatura ambiente. Las diferencias en la gravedad específica de la madera se atribuyen a la proporción entre la sustancia de la pared celular y el lumen, el espacio que una vez ocupó el contenido celular. Las fibras también pueden ser la causa de diferencias en la gravedad específica. Si las fibras poseen paredes gruesas y lúmenes estrechos, la gravedad específica suele ser alta. Por otro lado, si las fibras poseen paredes finas con lúmenes gruesos, la gravedad específica suele ser baja. Básicamente, la gravedad específica nos indica si algo flota o se hunde. La mayoría de las maderas flotan, pero algunas maderas duras, como la «madera de hierro», se hunden. La durabilidad es el punto hasta el cual la madera es resistente a la rotura y a la descomposición por la acción de hongos, bacterias o insectos. La madera duradera, como la del cedro y la de la falsa acacia negra, contiene ácido tánico, también conocido como tanino, que repele la mayoría de los organismos causantes de la descomposición de la madera. El veteado (conjunto de vetas o fibras) es la alineación general de las células conductoras del xilema. En una madera de veteado recto, las células conductoras están alineadas paralelamente al eje longitudinal de la pieza de madera. En una madera de veteado cruzado, las células conductoras no son paralelas al eje largo de la madera. En una madera de veteado espiral, la disposición de las células conductoras forma gradualmente una espiral por el tronco en sentido ascendente y descendente. En una ma-

05_Capítulo

21/11/05

132

08:35

Página 132

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

dera de veteado alterno, la orientación del veteado cambia durante la vida del árbol. Un ejemplo de madera de veteado recto es el olmo común (Ulmus minor), mientras que el sicómoro (Platanus) posee un veteado alterno. La textura se refiere al tamaño de las células del xilema y del floema y al de los anillos de crecimiento. Una textura basta se debe a la presencia de numerosos vasos de gran tamaño y radios anchos. Una textura fina se debe a la presencia de vasos pequeños y radios estrechos. Una textura irregular es consecuencia de la gran diferencia de tamaño entre las células tempranas (primavera) y las tardías (final de verano u otoño) dentro de un mismo anillo de crecimiento. El contenido de humedad es el porcentaje de agua por unidad de peso. En los bosques, la madera está compuesta en un 75% por agua. La madera secada (curada) contiene entre un 10% y un 20% de agua. La madera seca contiene de un 55% a un 75% de celulosa, de un 15% a un 25% de lignina y un 20% o menos de aceites, taninos, resinas u otros compuestos. La proporción entre tanino y celulosa puede variar considerablemente. La madera seca se utiliza para fabricar mobiliario y casas, ya que no encoge y, por tanto, es menos probable que se rompa. Además de estas propiedades, otras, como la nudosidad, pueden afectar a la calidad y apariencia de la madera. Los nudos son simplemente las regiones donde las ramas se unen al tronco. Mientras una rama está viva, su sistema vascular se conecta con el del tronco. Cuando la rama muere, el tronco sigue expandiéndose y crece alrededor de la rama, pero ya no existe conexión vascular alguna. Cuando se corta la madera, las partes de la rama con conexiones vasculares forman nudos muy tirantes, pero donde ya no hay conexión vascular con el tronco los nudos quedan sueltos. Como las ramas suelen producir madera de reacción en el lugar donde se unen con el tronco, su madera es densa y difícil de aserrar. La madera que relativamente carece de nudos procede de árboles de gran tamaño y anchura, cuyas ramas se encuentran en su mayoría cerca en la parte superior. Sin embargo, los nudos pueden considerarse un valor añadido, como en el caso de la madera de pino nudosa, empleada para revestir y para fabricar mobiliario.

El látex, la resina y el sirope de arce son algunos de los productos que pueden obtenerse de los fluidos de la madera Numerosas plantas con flores producen diversas formas de látex, una sustancia lechosa que bloquea la entrada de organismos nocivos e insectos por las heridas, y que fre-

cuentemente contiene compuestos que impiden el crecimiento de hongos y de bacterias. El látex vegetal es muy útil para los humanos, pues es la base de la industria del caucho y también una fuente para la industria farmacéutica (véase el cuadro Las plantas y las personas en la página siguiente). Los pinos y muchas otras Gimnospermas producen resina, una sustancia pegajosa que fluye a través de los canales del xilema y floema secundarios, de la peridermis y las hojas (Figura 5.21). La palabra resina deriva de los términos griego y latino para «pino». Aparentemente, la resina se encarga de sellar las heridas e impedir la entrada de organismos portadores de enfermedades. Un árbol dañado suele segregar una abundante cantidad de resina por la superficie del tronco. La trementina, un componente semifluido de la resina, se evapora y deja atrás un compuesto ceroso conocido como colofonia, que sella la herida. Algunos insectos, como la polilla resinera de la secuoya, se sienten atraídos por la resina y depositan sus huevos en ella. Las larvas se introducen en el árbol, provocando un mayor daño, así como más secreción de resina. Cuando la madera blanda de Coníferas se quema, la trementina hace que la madera prenda rápidamente, ocasionando el burbujeo y el chasquido propios de la explosión de las bolsas de resina. La madera dura de los árboles con flores suele carecer de resina, y por eso arde de manera más suave y lenta. La trementina o aguarrás, que se extrae de maderas blandas como el pino, se utiliza para fabricar pinturas y disolventes, tintas, lacas, jabones y abrillanta-

Figura 5.21.

Resina.

Algunas Gimnospermas, incluidos los pinos, producen resina, una sustancia que sella las heridas para protegerlas de un mayor daño, así como de enfermedades. La resina fluye a través de los conductos del xilema, del floema y de la peridermis.

05_Capítulo

21/11/05

08:35

Página 133

CAPÍTULO 5

LAS

PLA NTA S

Y

L A S

◆

Crecimiento vegetal secundario

133

P E R SO NA S

Varios procedimientos para producir caucho l látex elástico utilizado para elaborar caucho procede originalmente del árbol del caucho (Hevea brasiliensis), que es oriundo de América Central y del Sur. Hacia el año 1600 a.C., los mayas recolectaban látex de los árboles y lo convertían en grandes bolas de caucho y material para empalmar, el cual utilizaban para sujetar la cabeza del hacha al mango. Los mayas añadieron jugo de campanilla al látex para evitar que el caucho se quebrara. En 1839, Charles Goodyear descubrió casualmente una variante de este proceso al verter una mezcla de caucho, plomo y azufre sobre una estufa caliente. Este proceso de calentamiento del caucho, conocido como vulcanización, da como resultado productos de caucho elásticos y duraderos. Los «caucheros» se encargan de recolectar el látex de los árboles del caucho. Su tarea es la de realizar una incisión en la corteza de cada árbol a primera hora de la mañana y recoger el látex en un recipiente. El látex, que contiene caucho, agua y proteínas, debe ser procesado con rapidez para evitar que se estropee. Un solo árbol puede ser un fructífero productor durante 25 años o más. Actualmente, el 80% del caucho natural que se recolecta procede de las plantaciones del sudeste asiático, sobre todo de Malasia y Tailandia. Durante la Segunda Guerra Mundial, cuando los japoneses suspendieron el suministro de caucho natural a Estados Unidos, los químicos desarrollaron rápidamente un método para fabricar caucho artificial a partir de petróleo. Ahora, más de dos tercios de la producción de caucho mundial es sintética. Sin embargo, el alto coste de la fabricación de caucho artificial a partir de petróleo, así

como del transporte de caucho natural desde los países tropicales ha urgido a los científicos a estudiar la capacidad de otros vegetales para producir látex. Por ejemplo, las especies de girasoles (Helianthus) y el guayule (Parthenium argentatum) son posibles fuentes de caucho. Los girasoles crecen por toda Norteamérica, mientras que el guayule crece en el suroeste de Estados Unidos y en el norte de México. El caucho del guayule sólo contiene el 20% de las proteínas que contiene el caucho del árbol Hevea brasiliensis. Como consecuencia, la alergia al caucho de productos fabricados a partir del guayule, como, por ejemplo guantes de látex, no es tan frecuente.

dores, entre otros compuestos. La colofonia tiene también una gran variedad de usos, como por ejemplo, en materiales de sellado y adhesivos. En los días en que los barcos se fabricaban con madera, la colofonia se utilizaba para hacerlos estancos al agua. Hoy en día, se emplea en la fabricación de barnices y ceras para el acabado de la madera. Los lanzadores y bateadores de béisbol utilizan la colofonia para agarrar mejor la pelota o el bate, y los bailarines la usan para mejorar la tracción. La colofonia también refuerza el grado y la sutileza del contacto entre el arco y las cuerdas de un violín. Las Coníferas fósiles del Mar Báltico y de otras regiones producían grandes cantidades de resina, que se recogía en montones que podían pesar entre 1 y 45 kilos. La resina fosilizada, conocida como ámbar, tiene millones de años de antigüedad. Algunos insectos y bacterias primiti-

vos que quedaban atrapados en la resina se fosilizaron con ella (Figura 5.22). Las bacterias de más de 30 millones de años han sido revividas gracias al ámbar. No obstante, generalmente el ADN en el ámbar está muy degradado. La idea de que la sangre de un dinosaurio en mosquitos fosilizados pudiese ser la fuente de genes para recrear los dinosaurios es simplemente un producto de la imaginación para las tramas de libros y películas. Con todo, el ámbar fosilizado sirve como ventana hacia el pasado prehistórico y también ha sido literalmente explotado como material para joyería. Otro producto obtenido de los fluidos de la madera es la savia dulce que se recoge tras haber realizado una incisión en el xilema externo de los arces a principios de la primavera. Después de un calentamiento y una evaporación suficientes, la savia se convierte en sirope de arce y

E

Una mujer recoge savia de un árbol del caucho en la provincia de Yunnan, China.

05_Capítulo

21/11/05

134

08:35

Página 134

UNIDAD UNO

Figura 5.22.

◆

Estructura de las plantas

Insecto en ámbar.

El ámbar es resina fosilizada que se forma debido a la polimerización natural de los componentes orgánicos.

después en azúcar de arce. A veces, se piensa que la savia procede del floema que transporta los azúcares desde las hojas hasta la raíz, pero en realidad procede del almidón que se almacena en el xilema de la raíz durante el invierno, cuando no están presentes las hojas. Durante las templadas mañanas primaverales, la savia se expande y es empujada a través del xilema por todo el tronco. Mediante un proceso denominado azucarado, se recoge la savia realizando perforaciones en el tronco, donde se insertan una especie de llaves que drenan la savia, la cual cae en recipientes o tubos que la conducen a una instalación central, donde se hierve el agua para obtener el sirope de arce.

El corcho industrial procede de la parte gruesa externa de algunos árboles Las células suberosas de la corteza externa proporcionan al tronco flexibilidad e impermeabilidad, de manera que el corcho es excelente para fabricar tapones o «corchos» extraíbles para las botellas de vino y otros recipientes. La flexibilidad del corcho le permite volver a su forma original tras haber sido deformado, lo que lo hace también muy útil para tablones de anuncios. La fuente de corcho más importante es el alcornoque (Quercus suber), que posee una corteza externa muy gruesa que consiste en su mayoría en células suberosas (Figura 5.23). Aproximadamente cada 10 años tiene lugar una recolección inocua de corcho en los alcornoques, endémico de la región Mediterránea. Recientemente, y por motivos económicos, algunas bodegas han sustituido el corcho natural por otro fabricado con plástico sintético.

Figura 5.23.

Corcho industrial.

La corteza externa del roble (Quercus suber) se arranca y se emplea con fines comerciales para hacer corchos para las botellas de vino y otros productos comerciales. El árbol sigue viviendo y se regenera, estableciendo un nuevo cámbium suberoso y produciendo más corcho a partir del floema secundario restante.

Los árboles son un recurso natural renovable, pero limitado Antes de que el ser humano existiera, los bosques cubrían una superficie de la Tierra inmensamente mayor que la actual, y la cantidad de suelo forestal se mantenía relativamente constante. Cuando los árboles morían debido a enfermedades o a incendios causados por relámpagos, eran sustituidos por otros nuevos que crecían de manera natural. Sin embargo, hace unos 10.000 años, con la llegada de la civilización humana, la extensión de los bosques de la Tierra comenzó a disminuir. En ocasiones, los cazadores prendían fuego a los bosques para hacer salir a los animales de caza de sus guaridas, y los agricultores deforestaban los terrenos para poder cultivarlos. Cuando la madera útil se acababa y se había agotado el suelo de nutrientes, la gente simplemente se mudaba. Esta técnica, referida a menudo como agricultura de roza y quema, todavía se practica en algunas selvas tropicales. A lo largo de la historia de la Humanidad, la madera se ha utilizado para calentar, cocinar y construir. Los bosques se han reemplazado por granjas y ciudades, o simplemente se han agotado y no se han reemplazado. Hoy en día, sólo contamos con cerca de la mitad de los bosques originales mundiales, y sólo un pequeño porcentaje de estos bosques son «rodales antiguos», esto es,

05_Capítulo

21/11/05

08:35

Página 135

CAPÍTULO 5

BIOLOGÍA

D E

L A

◆

Crecimiento vegetal secundario

135

C O NSE RVA C I Ó N

Uso sostenible de los recursos madereros n los últimos años, la explotación forestal sostenible, en ocasiones conocida como nueva explotación forestal, ha intentado desarrollar nuevos métodos mediante los cuales se pueda obtener madera sin que la Biodiversidad y la salud de los ecosistemas a largo plazo se vean afectados. Un importante componente de la nueva explotación forestal ha sido la implantación de estrategias de gestión para asegurar la producción continua de árboles que puedan ser talados. La explotación forestal sostenible tiene como objetivo mantener la producción de madera en un área determinada a un ritmo constante a lo largo del tiempo. Básicamente, esto significa que deben plantarse nuevos árboles al mismo ritmo que se talan, y se les debe permitir crecer hasta alcanzar un tamaño similar al de los que reemplazan. Hasta ahora, la explotación forestal sostenible sólo ha tenido éxito en unas pocas zonas aisladas. Incluso cuando la tasa de reforestación se equipara a la tasa de tala, los árboles nuevos raramente alcanzan el tamaño de los que fueron talados. Los días en los que se recolectaba madera de los rodales antiguos en Estados Unidos han quedado atrás, porque estos bosques ya no existen, salvo los que están protegidos. Los expertos saben que lograr una explotación forestal sostenible puede llevar mucho tiempo y varias rotaciones de cultivos. Convertir un bosque no sostenible en uno sostenible es parte de un proceso denominado administración forestal, en la que un bosque es percibido como una comunidad de seres vivos que deben ser comprendidos y respetados si se quiere que continúen produciendo cosechas de madera útil para el ser humano. Un importante principio de la explotación forestal sostenible es talar los árboles de manera que se logre un restablecimiento lo más rápido posible de un bosque similar. Algunas especies, como el pino de Oregón o el pino torcido, presentan plántulas que crecen mejor a plena luz del día y repueblan naturalmente áreas que han sido arrasadas por tormentas o incendios forestales. Para tales especies, la corta a matarrasa es el método más adecuado, pues resulta más rápido restablecer un nuevo bosque sembrando plántulas pequeñas. Para las especies que se dan mejor parcialmente a la sombra, como muchos tipos de abetos, la corta parcial o entresaca suele ser el mejor método. En los bosques de especies mixtas, lo más adecuado sería aplicar una combinación de métodos. El problema que presenta cualquier tipo de actividad agrícola es que la recogida de las cosechas arrastra consigo nutrientes del suelo. Pasadas varias generaciones de actividad agrícola, el suelo se vuelve pobre en nutrientes, y el rendimiento y el valor nutricional del cultivo disminuyen. Muchas regiones agrarias sufren este problema. De hecho, algunos nutricionistas creen que el aumento de ciertas enfermedades en las sociedades modernas puede estar directamente relacionado con los suelos pobres en nutrientes.

E

Corta parcial o entresaca.

Una descortezadora procesa un árbol. Con respecto a la recogida de la madera, pueden pasar décadas hasta que se produzca la segunda cosecha. Una vez que se corta el bosque virgen, las cosechas sucesivas son notoriamente más pobres. Ésta suele ser la consecuencia de haber retirado nutrientes del suelo con cada cosecha, el cual se convierte en un suelo pobre. Una solución al problema del empobrecimiento de suelo sería descortezar los árboles in situ, en lugar de hacerlo en otro sitio. Asimismo, la corteza puede extraerse en el aserradero y llevarse de nuevo al lugar de la explotación. La corteza, que contiene floema, lleva una parte de los nutrientes del suelo que ha tomado el árbol. Cuando los valiosos iones del suelo ascienden desde el suelo por el árbol a través del xilema, se incorporan a las moléculas orgánicas de las hojas. Cuando el árbol se tala, la madera útil contiene muy pocos minerales disueltos. Realizar el descortezamiento en el lugar de cultivo o reforestación supone cambios en el procedimiento y en el equipamiento. Los beneficios económicos están a años de distancia, pero la gestión lógica dicta que esta aplicación debería ser puesta en práctica.

05_Capítulo

21/11/05

136

08:35

Página 136

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

que no han sido perjudicados por el uso humano. Por ejemplo, en el noroeste del Pacífico y en Canadá existen grandes áreas de bosques gestionados, pero muy pocas áreas de bosques naturales. En la parte continental de Estados Unidos, el 98% de los bosques se ha talado al menos una vez. La deforestación, el proceso mediante el cual se reduce el terreno forestal, está limitando el suministro de árboles para la tala. Cada segundo se tala o se quema un área de selva tropical de al menos el tamaño de un campo de fútbol. A este ritmo actual de deforestación, las selvas templadas o tropicales nativas habrán desaparecido hacia el año 2030, y sólo nos quedarán los parques y los bosques gestionados. A pesar del hecho de que se están sembrando plántulas en diversos bosques gestionados, se talan árboles para su uso a un ritmo mucho mayor del que se reemplazan, una tendencia que las nuevas prácticas forestales están intentando corregir (véase el cuadro Biología de la conservación en la página 135). La deforestación, especialmente en los bosques tropicales, reduce no sólo la cantidad de árboles, sino también la diversidad de especies arbóreas. Existen entre 80.000 y 100.000 especies de árboles en el mundo. Actualmente, Estados Unidos cuenta con 1.000 especies, un número tres veces mayor que el de toda Europa. Sólo la región de los Apalaches posee más de 300 especies. Sin embargo, esos números palidecen si los comparamos con la diversidad arbórea de los bosques tropicales, pese a que, hoy en día, estas regiones sólo ocupan menos de un 2% de la superficie terrestre. Un estudio llevado a cabo sobre un te-

rreno de 10,4 hectáreas en un bosque tropical en Malasia identificó 780 especies de árboles, que equivale aproximadamente al número de especies endémicas de Estados Unidos y Canadá. En 1996, un científico encontró 476 especies de árboles en sólo una hectárea de la región de la selva atlántica brasileña, en las que se incluían 104 especies hasta entonces desconocidas en la región y 5 especies nuevas para la ciencia. En términos comparativos, todos los bosques templados suelen tener entre 2 y 20 especies de árboles por hectárea. Desgraciadamente, al menos un 20% de las especies de árboles de todo el mundo están el peligro de extinción a pocos años vista, incluyendo 250 especies en Estados Unidos. El Instituto de los Recursos Mundiales estima que la deforestación en los bosques tropicales es responsable de la pérdida de 100 especies de todo tipo de seres vivos cada día.

Repaso de la sección 1. ¿Por qué algunas fuentes alternativas de productos de papel podrían ser importantes en un futuro? 2. ¿Qué significan los términos madera dura y madera blanda? 3. Describe las siguientes características de la madera: densidad, durabilidad, veteado, textura y contenido de humedad. 4. Menciona algunos usos comerciales útiles de los fluidos de la madera. 5. ¿Qué quiere decir que los árboles son un recurso natural renovable, pero limitado?

RESUMEN Introducción al crecimiento secundario Los meristemos laterales, cilindros de células en división, producen el tejido vascular y el tejido dérmico secundarios (págs. 115-116) Los meristemos laterales (el cámbium vascular y el cámbium suberoso o felógeno) incrementan el diámetro del tallo o de la raíz. El cámbium vascular produce xilema y floema secundarios, mientras que el cámbium suberoso produce tejido dérmico secundario. El cámbium vascular da origen al xilema secundario (madera) y al floema secundario (págs. 117-118) El cámbium vascular se forma entre el xilema y el floema primarios y, a continuación, aumenta su diámetro según añade xi-

lema secundario hacia el interior y floema secundario hacia el exterior. El xilema y el floema secundarios incrementan la conducción, y el xilema secundario contiene lignina suplementaria, que proporciona un mayor sostén. El cámbium suberoso o felógeno da origen al tejido dérmico secundario (págs. 118-119) El cámbium suberoso produce peridermis, que sustituye a la epidermis y al córtex. La peridermis está formada por el cámbium suberoso, el súber o corcho (felema) y la felodermis. Como el cámbium suberoso no aumenta su diámetro, debe ser reemplazado. Las capas externas de la peridermis se mudan, al igual que la capa externa de la corteza.

05_Capítulo

21/11/05

08:35

Página 137

CAPÍTULO 5

La corteza está formada por todos los tejidos externos al cámbium vascular (págs. 119-121) La corteza interna consiste fundamentalmente en floema secundario, mientras que la corteza externa consiste en todas las capas de peridermis externas al cámbium suberoso más reciente.

Patrones de crecimiento de la madera y la corteza El cámbium vascular produce el xilema secundario, el floema secundario y el parénquima radial, así como mayor cantidad de cámbium vascular (págs. 122-123) Las células iniciales fusiformes producen xilema y floema, y las células iniciales radiales producen filas de células parenquimáticas denominadas radios, que asumen las funciones de reserva y de transporte lateral. Las células fusiformes y las células iniciales radiales se pueden dividir para incrementar el diámetro del cámbium vascular. La albura conduce agua y minerales, mientras que el duramen no (págs. 123-124) El duramen consiste en anillos internos xilemáticos inactivos, normalmente más oscuros que los anillos externos conductores que constituyen la albura. Los árboles producen sustancias antibacterianas y antifúngicas que ayudan a proteger el duramen de la descomposición y de los hongos. Los anillos de crecimiento de la madera reflejan la historia del crecimiento secundario de un árbol (págs. 124-125) Los anillos de crecimiento son normalmente líneas divisorias entre el crecimiento de final de verano de un año y el crecimiento de la primavera del año siguiente. Los anillos gruesos indican unas buenas condiciones de crecimiento. La dendrocronología es la ciencia que se ocupa de datar los anillos de un árbol, así como de la interpretación climática (págs. 125-126) Los anillos de crecimiento pueden revelar la edad del árbol y las condiciones de crecimiento. Asimismo, pueden ayudar a determinar las fechas de acontecimientos y utensilios humanos. El patrón de crecimiento de la madera anormal o de reacción contrarresta la inclinación (pág. 126) La madera de reacción se forma en la parte superior o en la parte inferior de los troncos y ramas inclinados como contrapeso. En las Dicotiledóneas, esta madera aparece en la parte superior y en las Coníferas en la parte inferior. El cámbium suberoso o felógeno se renueva con el crecimiento del tallo y de la raíz (págs. 126-128) Las células suberosas se impregnan de suberina, haciéndose impermeables al agua y evitando que el floema se filtre hacia la su-

◆

Crecimiento vegetal secundario

137

perficie. El cámbium suberoso se rompe y debajo se forman un cámbium suberoso y una peridermis nuevos. Como las capas externas de peridermis se desprenden, la corteza no se acumula tanto como la madera. Las lenticelas son poros en la corteza que facilitan el intercambio de gases (pág. 128) Las lenticelas son pequeñas hendiduras o franjas en la superficie del tallo, que permiten el paso de los gases a través de la corteza.

Usos comerciales de la madera y la corteza La madera se utiliza principalmente como combustible, para obtener productos de papel y para la construcción (págs. 129-130) Mundialmente, los dos usos principales de la madera son como combustible y para la fabricación de papel, en una proporción equivalente, mientras que la construcción ocupa un alejado tercer puesto. La creciente demanda de papel está impulsando la investigación en recursos no forestales. La madera es todavía el material de construcción fundamental de los países en desarrollo. La estructura de la madera puede estudiarse según tres planos de sección (pág. 130) El corte transversal es una sección transversal circular. El plano radial o al cuarto es un corte longitudinal a través del centro del tallo. El plano tangencial es un corte longitudinal que no atraviesa el centro del tallo. Las propiedades de la madera, como la dureza y el veteado, pueden variar (págs. 130-132) Las Dicotiledóneas producen madera dura, que suele ser difícil de cortar. Las Coníferas producen madera blanda, que suele ser más fácil de cortar. La dureza está relacionada con la densidad y la gravedad específica. La durabilidad es la resistencia a la descomposición. El veteado es la alineación de las células xilemáticas. La textura se refiere al tamaño de las células y de los anillos de crecimiento. El contenido de humedad es el porcentaje de agua por peso. Los nudos son las regiones donde las ramas se unen con el tronco. El látex, la resina y el sirope de arce son algunos de los productos que pueden obtenerse de los fluidos de la madera (págs. 132-134) El látex se usa para fabricar caucho y productos farmacéuticos. La trementina y la colofonia se extraen de la resina. Algunos productos derivados de la trementina son los disolventes, tintas y lacas, mientras que de la colofonia se obtienen materiales de sellado y adhesivos. La resina fosilizada, denominada ámbar, se emplea en joyería. El sirope y el azúcar de arce proceden de la savia del xilema del arce.

05_Capítulo

21/11/05

138

08:35

Página 138

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

El corcho industrial procede de la parte gruesa externa de algunos árboles (pág. 134) La impermeabilidad y la flexibilidad hacen del corcho un buen material de cierre. La mayoría del corcho comercial procede del alcornoque. Los árboles son un recurso natural renovable, pero limitado (págs. 134-136) La deforestación ha reducido la superficie forestal y la diversidad de árboles, fomentando la necesidad de nuevas prácticas forestales.

3. 4.

5.

Cuestiones de repaso 1. En términos de la vida de una planta, ¿cuáles son los objetivos de los meristemos laterales? 2. Nombra los dos meristemos laterales y describe los tipos de células producidos por cada uno. 3. ¿En qué se diferencian la estructura y la función de la corteza externa y la corteza interna? 4. Expón la diferencia entre células iniciales fusiformes y células iniciales radiales. 5. ¿Cuál es la función de los radios? 6. Explica la diferencia entre duramen y albura. 7. Describe cómo pueden utilizarse los anillos de un árbol para datar acontecimientos y utensilios humanos. 8. ¿Por qué el cámbium suberoso es esencial para la salud de un árbol? 9. ¿Por qué la corteza externa es a la vez protectora y porosa? 10. ¿Por qué se están empezando a tener en cuenta fuentes de pasta de papel no forestales? 11. ¿Cómo puedes distinguir si una plancha se aserró de manera radial o tangencial? 12. ¿Por qué a la madera de las Dicotiledóneas se le dice dura y a la de las Coníferas se le dice blanda? 13. Escoge dos características generales utilizadas para describir la madera (como el veteado y la durabilidad) y explica por qué son importantes para los usos potenciales de la misma. 14. Explica por qué la corteza es útil desde el punto de vista comercial. 15. ¿Por qué la agricultura de roza y quema supone un problema?

Cuestiones para reflexionar y debatir 1. ¿En qué sentido crees que el crecimiento secundario puede ayudar a una planta a competir por los recursos? ¿En qué sentido la haría vulnerable? 2. Una familia construye una casa de madera en medio de un precioso bosque. Un atardecer, sentados en el porche de

6.

7.

8.

9.

madera de secuoya, comprueban cómo el bosque que rodea su hogar está siendo aclarado y la vista se deteriora por momentos. Debate los aspectos morales inherentes a esta situación. ¿Por qué crees que el cámbium vascular es permanente, mientras que el suberoso se reemplaza periódicamente? Algunas plantas sin semillas extintas fueron grandes árboles. El cámbium vascular de éstas produjo xilema y floema, pero no más células del cámbium para que éste se expandiera con el árbol. ¿Qué sucedió al final con estos árboles de semejante patrón de crecimiento? Los términos xilema y floema ¿son sinónimos? Razona tu respuesta. Algunos parques poseen «árboles tunelados», en los que el centro del tronco se ha retirado en su base, pero el árbol sigue siendo capaz de vivir. ¿Qué te parece esta práctica? Si los árboles tienen el potencial de ser inmortales, ¿por qué crees que cada especie de árbol presenta una expectativa de vida característica? ¿Qué efecto crees que tendrá a largo plazo el empleo de computadoras, Internet y correo electrónico en el uso del papel? Dibuja una pequeña sección del cámbium vascular del tallo de una Dicotiledónea leñosa desde una vista de sección transversal; bastará con que dibujes 2 ó 3 células. Ahora, imagina que cada una de estas células contribuye a un nuevo elemento floemático seguido de un nuevo elemento xilemático. A continuación, realiza una división, de manera que la circunferencia del cámbium vascular aumente y guarde proporción con el diámetro creciente del tallo. Utilizando las células que has dibujado como punto de partida, realiza un diagrama de una secuencia de divisiones celulares y de las elongaciones celulares subsiguientes que completarían el proceso de desarrollo anteriormente descrito. Finalmente, realiza un diagrama de este mismo proceso tal y como aparecería en las secciones longitudinales radial y tangencial.

Conexión evolutiva Imagina la primera subpoblación de plantas herbáceas en las que un cámbium vascular se volvió activo y produjo xilema y floema secundarios. ¿Por qué esta actividad meristemática fue tan ventajosa como para convertirse en un avance evolutivo fundamental en los vegetales terrestres? ¿Por qué la activación de un cámbium suberoso más superficial supuso un co-desarrollo adaptativo?

Para saber más Davis, Wade. El río. Valencia: Pre-Textos, 2004. El autor es un etnobotánico que estudia los usos originarios de los vegetales y relata fascinantes historias.

05_Capítulo

21/11/05

08:35

Página 139

CAPÍTULO 5

Eastman, John, y Amelia Hansen (Ilustrador). The Book of Forest and Thicket: Trees, Shrubs, and Wildflowers of Eastern North America. PA: Stackpole Books, 1992. En este libro se incluyen historias interesantísimas sobre vegetales, animales y sus hábitat. Maclean, Norman. Young Men & Fire. Chicago: The University of Chicago Press, 1992. El autor congrega los enigmáticos acontecimientos que rodearon la tragedia del incendio forestal de Mann Gulch en Montana, en el año 1949, donde una brigada contra incendios de 15 personas se vio reducida a 3 en dos horas.

◆

Crecimiento vegetal secundario

139

Pakenham, Thomas. Árboles excepcionales del mundo. Barcelona: Blume, 2003. Este libro reúne fotografías y sucesos extraordinarios sobre 60 de los árboles más fascinantes del mundo. Watts, T. May. Tree Finder: A Manual for the Identification of Trees by Their Leaves. Rochester, NY: Nature Study Guild, 1991. Identificación fácil de 161 especies de árboles caducifolios, incluidas claves para los árboles de la costa del Pacífico, de las Montañas Rocosas y del desierto.

Portadillas

25/11/05

10:50

Página I

06_Capítulo

21/11/05

09:18

Página 141

6 Ciclos vitales y estructuras reproductoras

Las piñas, flores, frutos y semillas son estructuras reproductoras vegetales.

Introducción a la reproducción de las plantas

En las Angiospermas, algunos meristemos apicales producen flores

La reproducción asexual se produce mediante mitosis y da lugar a descendientes genéticamente idénticos entre sí a su progenitor

Una flor puede comprender hasta cuatro tipos de hojas modificadas

La reproducción sexual provoca variación genética

La posición del ovario en una flor puede variar

Meiosis y alternancia de generaciones

Las estructuras florales son un ejemplo de cómo la selección natural puede modificar una forma ya existente

El número y la simetría de las partes de la flor pueden variar

Los núcleos hijos producidos por meiosis conservan una copia de cada cromosoma

Estructura de la semilla

El ciclo sexual de uan planta presenta fases pluricelulares tanto haploides como diploides

Las semillas se forman a partir de óvulos en las brácteas de la piña o en los carpelos de la flor

Estructura de la piña y de la flor

Las semillas alimentan y protegen el embrión en desarrollo

En las Gimnospermas, algunos meristemos apicales producen conos

En la germinación de las semillas, primero crece la raíz embrionaria atravesando la testa, y luego se inicia la formación de la plántula

Estructura del fruto Durante el desarrollo de las semillas en una planta con flores, el ovario se desarrolla para formar parte de un fruto o integrar su totalidad Los frutos pueden clasificarse en simples, agregados o múltiples Una serie de mecanismos dispersa las semillas y los frutos hacia nuevos lugares

06_Capítulo

21/11/05

142

09:18

Página 142

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

l igual que el resto de los organismos, las plantas se reproducen. Como aprendimos en el Capítulo 1, la reproducción vegetal es más variada y compleja que la reproducción humana. Los humanos sólo nos reproducimos sexualmente y mediante un único método, mientras que los vegetales presentan un abanico de posibilidades tanto sexuales como asexuales. La reproducción asexual, recordemos, requiere un solo progenitor y se produce descendencia genéticamente idéntica al parental. En cambio, en la reproducción sexual, el material genético de los dos progenitores se combina para producir descendencia, cuyo material genético es consecuentemente una combinación del de ambos padres. Veamos ahora algunos ejemplos que ilustran las variaciones de la reproducción sexual y asexual de los vegetales. Por ejemplo, una planta de fresas se reproduce asexualmente generando tallos horizontales denominados estolones, que dan lugar a nuevas plantas en sus extremos. Durante la época de crecimiento, una fresa que genera estolones activamente puede extenderse muchos metros y producir una docena o más de nuevas plantas, todas exactamente iguales al original. Para obtener un semillero de fresas, un jardinero sólo necesita unos cuantos ejemplares, e inmediatamente tendrá plantas para regalar. Los horticultores conocen muchos métodos de reproducción vegetal asexual. Como veremos más adelante, algunos de estos métodos requieren de la intervención humana. Numerosas plantas, como la caléndula (varias especies del género Tagetes) se reproducen exclusivamente de manera sexual. La célula espermática y la ovocélula se combinan mediante la fertilización para producir un cigoto que crece y se divide para dar origen a un embrión dentro de una semilla. En este proceso sexual, el material genético del vegetal masculino y el del vegetal femenino se combinan para producir descendencia similar, pero también diferente a cada progenitor. En la mayoría de los casos, la reproducción sexual en las plantas implica la presencia de semillas. Sin embargo, éstas no siempre nacen de la reproducción sexual. Algunas plantas, como el diente de león común y la fresa, pueden producir semillas mediante un proceso sexual o asexual. En el Capítulo 1, vimos que las plantas presentan dos fases o formas adultas, que se alternan para producirse mutuamente. En el capítulo que nos ocupa, veremos cómo estas dos formas adultas varían según el vegetal. Asimismo, examinaremos las estructuras relacionadas con la reproducción sexual de las plantas con semillas: piñas, flores, semillas y frutos.

A

06_Capítulo

21/11/05

09:18

Página 143

CAPÍTULO 6

Introducción a la reproducción de las plantas Cuando esperamos con ansia una comida deliciosa, podría parecer que «vivimos para comer». Por supuesto, desde el punto de vista biológico, «comemos para vivir». Huelga decir que la reproducción tiene también un contexto biológico. El éxito relativo de la reproducción de las diferentes especies es la base de su éxito o fracaso evolutivo. Por ejemplo, si los pinos no se reprodujeran al menos con el mismo éxito que otros vegetales que compiten por su espacio de crecimiento, terminarían por extinguirse. Cuando regalamos flores a alguien, no solemos pensar que son unas bellas estructuras diseñadas para facilitar la reproducción sexual en las plantas. Y, precisamente, es ése su objetivo. Las flores son estructuras que atraen a los insectos y otros organismos que, por su parte, ayudan a distribuir el polen. En cierto sentido, casi todo lo que hay en un vegetal o en cualquier otro organismo optimiza su éxito reproductor. Las estructuras, procesos y comportamientos que no mejoran el éxito de la reproducción tienden a no producirse, pues representan una inversión de energía que puede ser utilizada de un modo más eficaz. La reproducción podría describirse en términos del ciclo vital. El ciclo vital de una especie es la secuencia de etapas que abarcan desde la edad adulta de una generación hasta la edad adulta de la generación siguiente. Como hemos visto, un ciclo vital puede ser sexual o asexual. En esta sección veremos, grosso modo, las diferencias entre la reproducción sexual y asexual de las plantas.

La reproducción asexual se produce mediante mitosis y da lugar a descendientes genéticamente idénticos entre sí a su progenitor La reproducción asexual, también conocida como reproducción vegetativa, implica la presencia de un solo progenitor, y la descendencia que resulta es genéticamente idéntica a dicho parental. Los miembros de esta descendencia suelen ser referidos como clones del progenitor. Mediante la reproducción asexual, un vegetal bien adaptado a un medio estable puede producir descendencia rápidamente, la cual gozará de un éxito igual en dicho medio.

◆

Ciclos vitales y estructuras reproductoras

143

En la reproducción asexual se produce división celular mediante mitosis, que es la división nuclear que da lugar dos núcleos hijos idénticos al núcleo padre (Capítulo 2). Como podemos observar en la Figura 6.1, las plantas se reproducen asexualmente de varias maneras. Uno de los métodos es a través de vástagos adventicios, también conocidos como «chupones», que emergen de las raíces de algunas especies, como el álamo temblón. En algunas plantas, la descendencia pueden originarse de manera asexual a partir de las hojas, como en el caso del Kalanchoe y del helecho Woodwardia radicans, el cual produce un nuevo ejemplar cada vez que una de sus hojas toca el suelo. En un invernadero y un laboratorio, numerosos vegetales pueden multiplicarse plantando estacas o esquejes, mediante otras técnicas similares o mediante métodos de cultivo de tejidos. A menudo, los estudiantes especializados en Horticultura reciben clases de multiplicación vegetal que los ejercitan en la utilización de dichos métodos. Cada planta resultante de una reproducción asexual es un clon del progenitor, genéticamente idéntico y producido de manera natural. Las plantas recurren más a la reproducción asexual que los animales. Uno de los motivos podría ser que la estructura de las plantas, en la que el crecimiento primario se limita a los meristemos apicales, se presta fácilmente a la reproducción asexual. Por tanto, si las células de una raíz, tallo u hoja pueden convertirse en un meristemo apical del vástago, puede formarse un nuevo tallo, que a su vez puede formar con facilidad una raíz en su base. Otro de los motivos puede ser que, al competir con otras plantas por el espacio de crecimiento, la reproducción asexual les permite obtener este espacio más rápidamente.

La reproducción sexual provoca variación genética La reproducción sexual implica la presencia de un progenitor de cada sexo y da lugar a descendientes genéticamente diferentes entre sí a los padres, que presentan una mezcla de genes de cada padre. En este sentido, la reproducción sexual da como resultado nuevas combinaciones genéticas. Aunque la reproducción sexual se da en todos los medios, es especialmente importante para aquellas plantas que viven en ambientes cambiantes, o para los que crecen en diversos ambientes. Como la descendencia originada por reproducción sexual es genéticamente diferente a la progenie, uno o más hijos pueden adaptarse mejor a un medio determinado, dotando así a la especie de una ventaja competitiva.

06_Capítulo

21/11/05

144

09:19

Página 144

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 6.1.

(e)

Reproducción asexual.

Las plantas presentan diversas maneras de reproducirse asexualmente. (a) En algunos vegetales, como el álamo temblón, surgen vástagos adventicios a partir de yemas que se forman en la raíz. El grupo entero de árboles recibe el nombre de clon. Ocasionalmente, en otoño, se pueden distinguir los diversos clones, porque las hojas cambian de color en diferentes momentos. (b) Algunas plantas suculentas, como Kalanchoe daigremontiana, producen plántulas adventicias en los bordes de las hojas. Las plántulas se caen de la hoja y se enraízan rápidamente en el suelo. (c) El jacinto de agua (Eichhornia crassipes) produce nuevas plantas en tallos cortos que se rompen para liberarlos. El jacinto de agua se reproduce tan rápidamente que llega a atascar canales de agua en algunas regiones tropicales o subtropicales, como el estado norteamericano de Florida. (d) Los cactus Cholla (varias especies del género Opuntia) producen segmentos de tallo que se rompen con facilidad y caen al suelo para dar lugar a nuevos ejemplares. A menudo, estos segmentos se adhieren a la ropa o al pelaje de los animales, dispersando de esta manera la especie. (e) La planta Tolmiea menziesii origina nuevas plántulas en la base de cada hoja.

En la reproducción sexual vegetal participan dos tipos de células reproductoras: espermatozoides y ovocélulas. El espermatozoide (la célula reproductora masculina) fecunda una ovocélula (la célula reproductora femenina), creando un zigoto que se convierte en un embrión, que a su vez dará lugar a un organismo adulto. En consecuencia, el espermatozoide y las ovocélulas son gametos (del griego gamein, «casarse»). En las Gimnospermas y Angiospermas, el embrión está contenido en una semi-

lla, un estructura que incluye el embrión y una reserva de alimentos, todo agrupado dentro de una testa protectora. La reproducción sexual conlleva algún riesgo, pues las células espermáticas o las ovocélulas pueden dañarse o destruirse, impidiendo que se produzca la fecundación. De hecho, algunos científicos opinan que uno de los objetivos de la reproducción sexual podría ser eliminar poblaciones o genes nocivos, forzando a cada organismo a

06_Capítulo

21/11/05

09:19

Página 145

CAPÍTULO 6

pasar por una etapa unicelular en la que ciertos genes han de funcionar correctamente para que la célula sobreviva. La reproducción sexual es además muy intensiva en términos energéticos. Primero, deben producirse espermatozoides y ovocélulas. Seguidamente, se necesita una gran producción de energía para que el desarrollo del zigoto dé lugar a un embrión y, finalmente, a un organismo adulto pluricelular. Dadas estas condiciones, ¿por qué se produce la reproducción sexual? Aparentemente, la diversidad genética generada por la reproducción sexual proporciona una inmensa ventaja selectiva a muchos organismos. Si la descendencia posee variabilidad genética, la especie tendrá un mayor potencial para sobrevivir en un ambiente determinado, especialmente si algún parámetro de dicho ambiente sufre un cambio. Algunas plantas, como el diente de león y la violeta, cuya reproducción es tanto sexual como asexual, proporcionan a los científicos un medio para comprobar el valor selectivo de la reproducción sexual y asexual en un abanico de ambientes cambiantes o estables. Algunos grupos de investigación trabajan en este tipo de experimentos.

Repaso de la sección 1. ¿En qué se diferencia la reproducción asexual de la sexual? 2. ¿Cuáles son los métodos de reproducción asexual en las plantas? 3. Cita algunas razones por las que las plantas se reproducen sexual y asexualmente.

Meiosis y alternancia de generaciones En algún momento durante su ciclo vital sexual, todos los organismos pluricelulares recuperan esas dos células únicas, el espermatozoide y la ovocélula, que se combinan para convertirse en un zigoto que da lugar a un nuevo organismo pluricelular. El espermatozoide y la ovocélula deben tener cada uno la mitad del número de cromosomas que una célula de un organismo adulto. Si el número de cromosomas no se dividiera a la mitad, cada generación tendría en cada célula el doble de cromosomas que la generación anterior. Tras unas pocas generaciones, las células estarían repletas de cromosomas y no habría espacio para nada más. En esta sección estudiaremos la meiosis, un tipo de división celular únicamente implicada en la reproduc-

◆

Ciclos vitales y estructuras reproductoras

145

ción sexual, que tiene como resultado dos células hijas con la mitad de cromosomas que las células originales.

Los núcleos hijos producidos por meiosis conservan una copia de cada cromosoma Los dos tipos de división celular, mitosis y meiosis, tienen diferente repercusión en el número de cromosomas de las células hijas. En la mitosis, el núcleo original se divide para producir dos núcleos hijos, cada uno con el mismo número de cromosomas que el núcleo original. De esta manera, la mitosis y la citocinesis (división del citoplasma), producen dos células hijas con cromosomas idénticos a los de la célula original, siempre y cuando no haya tenido lugar ninguna mutación. En la meiosis, el núcleo se divide dos veces para producir cuatro núcleos hijos, cada uno con la mitad de cromosomas que el núcleo original. El número de cromosomas en una célula puede variar de una especie a otra. Un cuerpo celular común de un organismo, esto es, cualquier célula que no sea reproductora (célula espermática y ovocélula) se denomina célula somática (del griego soma, «cuerpo»). En los vegetales, una célula somática contiene uno o dos juegos de cromosomas. En una célula con dos grupos de cromosomas, cada par de ellos consiste en un cromosoma derivado de la ovocélula y otro derivado del espermatozoide. Cada par de cromosomas se conoce como par de cromosomas homólogos, puesto que ambos contienen genes destinados a controlar las mismas características. Una célula con dos grupos de cromosomas se dice que es diploide (del griego diplous, «doble»). Una célula que contiene un solo grupo de cromosomas se dice que es haploide (del griego haplous, «único»). El número de cromosomas de una célula diploide es referido como 2n, y el de una haploide como n. Por ejemplo, en los humanos, el número diploide (2n) es 46 y el número haploide (n) es 23. En la prímula (Oenothera lamarckiana), el número diploide (2n) es 14, y el número haploide (n) es 7. Las células vegetales y, de hecho, especies vegetales enteras, pueden ser poliploides, lo que significa que tienen más que el número diploide (2n). Como veremos en sucesivos capítulos, las plantas poliploides pueden tener una importante repercusión en la especiación.

Meiosis I En las plantas, la mitosis puede tener lugar en células haploides, diploides o poliploides. Por ejemplo, si la célula original es haploide, entonces cada célula hija será haploi-

06_Capítulo

21/11/05

146

09:19

Página 146

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

de, teniendo un solo grupo de cromosomas. Si la célula original es diploide, entonces cada célula hija será también diploide. Por el contrario, la meiosis sólo puede darse en una célula diploide o poliploide con un número par de cromosomas (4n, 6n y sucesivos). Si en una célula haploide el número de cromosomas estuviese dividido a la mitad, ninguna célula hija contaría con todos los genes necesarios para el organismo. Como veremos, la meiosis comprende dos etapas. Examinaremos un ejemplo de meiosis en una célula diploide original, en el que dicha célula se divide en cuatro células haploides. Cada una de estas células hijas tendrá sólo la mitad de cromosomas que la célula original.

En la preparación para la meiosis tiene lugar una fase S, en la que los cromosomas se duplican, como en la preparación para la mitosis. Al igual que la mitosis, la meiosis incluye las etapas de profase, metafase, anafase y telofase (Figura 6.2). Sin embargo, más que una división nuclear, la meiosis comprende dos divisiones nucleares, que se diferencian entre sí con números romanos: meiosis I y meiosis II. Durante la meiosis I, los cromosomas homólogos se separan. Durante la meiosis II las cromátidas hermanas se separan. Las fases de cada una de estas divisiones nucleares también se identifican con números romanos. Por ejemplo, la primera fase de la meiosis I recibe el nombre de profase I.

MEIOSIS I: Los cromosomas homólogos se separan Cromátidas hermanas

Huso

Sitios de la recombinación cruzada

Tétrada (pareja de cromosomas homólogos) Profase I

Placa metafásica

Los cromosomas homólogos se alinean Metafase I

Los cromosomas homólogos se separan

Se forma la placa celular

Las cromátidas hermanas permanecen unidas Anafase I

Telofase I y citocinesis

MEIOSIS II: Las cromátidas hermanas se separan

Los cromosomas se condensan

Los cromosomas se alinean

Las cromátidas hermanas se separan

Células haploides hijas

Profase II

Metafase II

Anafase II

Telofase II y citocinesis

Figura 6.2.

Meiosis.

Las dos divisiones meióticas se muestran en forma de diagramas. El acontecimiento principal en la profase I es la sinapsis, o el emparejamiento de cromosomas homólogos. Durante la metafase I, las parejas de cromosomas homólogos se alinean en la placa metafásica. La separación de los cromosomas homólogos tiene lugar en la anafase I. En ocasiones, la restauración de la envoltura nuclear y la citocinesis se producen durante y después de la telofase I. La meiosis II es bastante similar a la mitosis, pues cada cromosoma duplicado se comporta como una unidad independiente.

06_Capítulo

21/11/05

09:19

Página 147

CAPÍTULO 6

Profase I La profase I es la primera (y más compleja) etapa de la meiosis. Comienza tras la interfase, con acontecimientos que también tienen lugar en la mitosis: la formación del huso, la ruptura de la envoltura nuclear y la desaparición del nucleolo. No obstante, a diferencia de la profase de la mitosis, en la profase I de la meiosis participan cromosomas homólogos. En la profase de la mitosis, cada cromosoma, compuesto por dos cromátidas, se alinea individualmente y sin establecer relación con otros cromosomas. En la profase I de la meiosis, los cromosomas homólogos (cada uno con los mismos genes y compuesto por dos cromátidas) forman pares. A este emparejamiento se le llama sinapsis, y tiene como resultado la formación de una tétrada, una estructura que consiste en cuatro cromátidas. Durante la interfase, las cromátidas podrían haberse superpuesto casualmente. Durante la profase I, esta superposición puede resultar en el intercambio de segmentos de cromosomas, un proceso conocido como recombinación cruzada. Esta fuente de variación genética se estudiará con mayor detalle en el Capítulo 15.

Metafase I La metafase I de la meiosis es similar a la metafase de la mitosis, salvo que hacia la placa metafásica se desplazan tétradas de cromosomas homólogos, en lugar de cromosomas simples. Al igual que en la mitosis, el movimiento de los cromosomas está bajo el control de los microtúbulos del huso. Los microtúbulos de un polo del aparato del huso están unidos a un cromosoma de cada pareja. Los microtúbulos del polo opuesto están unidos al otro cromosoma.

Anafase I En la anafase I, los cromosomas homólogos se separan y se mueven hacia polos opuestos. Al igual que en la anafase de la mitosis, las proteínas motoras «transportan» los cromosomas hacia los polos opuestos. No obstante, al contrario que en la mitosis, las cromátidas hermanas de un cromosoma permanecen unidas a sus centrómeros, luego se mueven juntos, como una sola unidad, hacia el mismo polo. Mientras tanto, el cromosoma homólogo se mueve hacia el polo opuesto. En consecuencia, cada polo gana un juego de cromosomas y el número general de cromosomas se divide a la mitad. Por el contrario, en la mitosis, las cromátidas de un cromosoma se separan du-

◆

Ciclos vitales y estructuras reproductoras

147

rante la anafase, de manera que el número general de cromosomas permanece igual.

Telofase I y citocinesis Durante la telofase I tienen lugar diversos acontecimientos, dependiendo de la especie. De manera general, la célula vuelve, al menos por unos instantes, a su estado premeiótico, antes de comenzar la meiosis II. Los cromosomas continúan el movimiento de la anafase I, terminando cerca de los polos opuestos. En muchos casos, los nucleolos reaparecen, la envoltura nuclear se regenera y los cromosomas se desenrollan. En otros casos, las células inician inmediatamente la meiosis II. La citocinesis, o división del citoplasma, suele producirse durante la telofase I. La meiosis I recibe el nombre de división reductora, porque el número de cromosomas se divide por la mitad durante la misma.

Meiosis II Durante la meiosis II, las cromátidas hermanas se separan mediante un proceso básicamente idéntico a la mitosis. La principal diferencia es que la meiosis II comienza con una célula haploide, mientras que la mitosis puede comenzar con una célula haploide, diploide o poliploide. Una vez se han completado las etapas de profase II, metafase II, anafase II y telofase II, el resultado son cuatro núcleos, cada uno con la mitad del número de cromosomas del original. La citocinesis es el proceso siguiente. En el caso de los animales, las células se convierten en espermatozoides y en ovocélulas. En el caso de los vegetales, las células se convierten en esporas. La Figura 6.3 resume las diferencias entre la mitosis y la meiosis.

El ciclo sexual de una planta presenta fases pluricelulares tanto haploides como diploides Los ciclos vitales sexuales de las plantas difieren sobremanera de los de los animales de mayor tamaño, como los humanos. En los humanos y otros animales grandes, la fase pluricelular es diploide, y las únicas células haploides son espermatozoides u ovocélulas. Los ciclos vitales sexuales de las plantas son más complejos, pues existen dos fases o formas pluricelulares de cada planta. Una fase es la llamada esporófito (del griego, «planta productora de esporas») y está constituido por células diploides. La otra fase es la llamada gametófito (del griego, «planta que produce game-

06_Capítulo

21/11/05

148

09:19

Página 148

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

MITOSIS

MEIOSIS Par homólogo de cromosomas en una célula madre diploide

Cromosomas en una célula madre diploide

Los cromosomas se duplican

Cromátidas hermanas

Los cromosomas se duplican

Par homólogo de cromosomas duplicados Cromosoma duplicado (dos cromátidas hermanas)

Los cromosomas se alinean en la placa metafásica

Las cromátidas hermanas se separan

MEIOSIS I (los cromosomas homólogos se separan)

Células hijas de la meiosis I MEIOSIS II (las cromátidas hermanas se separan)

Células hijas de la mitosis (a) En la mitosis, los cromosomas se acortan durante la profase, se alinean a lo largo del ecuador de la célula durante la metafase y se separan durante la anafase. Cada cromosoma, con sus dos cromátidas, se comporta de manera independiente. El resultado son dos células hijas con el mismo número de cromosomas que la célula madre.

Figura 6.3.

Células hijas de la meiosis II (b) En la meiosis, los cromosomas se acortan durante la profase, y los cromosomas similares se emparejan y se alinean a lo largo del ecuador de la célula. Los pares de cromosomas se separan durante la anafase de la primera división meiótica, reduciendo así el número de cromosomas de la célula a la mitad. La segunda división meiótica es similar a la mitosis.

Comparación entre mitosis y meiosis.

En ambos tipos de división nuclear, el cromosoma ya se ha duplicado en la fase S, previa a la fase G2 y al comienzo de la división nuclear.

tos») y consiste en células haploides. Los ciclos sexuales vitales de las plantas implican una alternancia de generaciones, en la que estas dos fases adultas se alternan en la producción o generación de la otra. Un ciclo vital sexual típico de una planta comprende cinco pasos (Figura 6.4): 1. Algunas células de un esporófito pluricelular diploide experimentan una meiosis, para producir esporas haploides. 2. La espora experimenta una mitosis, para producir un gametófito pluricelular haploide.

3. Una o más células del gametófito experimentan una mitosis para producir espermatozoides u ovocélulas haploides. 4. El espermatozoide y la ovocélula se combinan mediante fecundación, para producir un zigoto diploide. 5. El zigoto experimenta una mitosis para producir un esporófito pluricelular diploide. En las plantas, la meiosis sólo produce esporas haploides, mientras que en los animales sólo produce gametos.

06_Capítulo

21/11/05

09:19

Página 149

CAPÍTULO 6

Reproducción sexual humana Adulto pluricelular masculino (2n)

Adulta pluricelular femenina (2n)

◆

Ciclos vitales y estructuras reproductoras

149

Reproducción sexual vegetal (alternancia de generaciones) Esporófito pluricelular (2n) Meiosis

Meiosis

Espora (n)

Espora (n)

Mitosis y crecimiento Espermatozoide (n)

Óvulo (n)

Gametófito pluricelular masculino (n)

Gametófito pluricelular femenino (n)

Fecundación Mitosis Espermatozoide (n)

Ovocélula (n)

Fecundación

Zigoto (2n) Mitosis y crecimiento Adulto pluricelular (2n)

Figura 6.4.

Zigoto (2n) Mitosis y crecimiento Esporófito pluricelular (2n)

Alternancia de generaciones.

Como podemos observar, la reproducción sexual de las plantas es más compleja que la humana, pues comprende pasos adicionales entre las etapas clave de la meiosis y la fecundación. En lugar de producir directamente espermatozoides y óvulos, la meiosis de las plantas produce esporas que se convierten en gametófitos, que son los que producen espermatozoides y ovocélulas. De este modo, los esporófitos diploides y los gametófitos haploides se alternan para producirse mutuamente. En algunas especies vegetales, los esporófitos generan esporas que dan lugar a gametófitos bisexuales, los cuales producen tanto espermatozoides y ovocélulas.

En los hongos, las esporas pueden generarse por meiosis o mitosis, y pueden ser tanto haploides como diploides. Según la especie vegetal, los esporófitos y gametófitos varían de tamaño relativo. Además, cada forma puede vivir o no independientemente (Figura 6.5). En la mayoría de los Briófitos, el gametófito es mayor que el esporófito. Por ejemplo, al observar una capa de musgo, vemos sobre todo gametófitos, y los esporófitos aparecen como apéndices adheridos a ellos. Sin embargo, en las plantas vasculares, el gametófito es mucho más pequeño que el esporófito. En la mayoría de las plantas vasculares sin semillas, como los helechos, los gametófitos suelen ser individuos separados, con una vida independiente. El esporófito del helecho es la planta familiar del helecho, mientras que el

gametófito del helecho es una estructura foliar cordiforme de apenas unos milímetros de diámetro. En las plantas con semillas, como las Coníferas y las plantas con flores, el gametófito es microscópico en relación con el esporófito y depende de éste para nutrirse. Cuando observamos una Conífera o una planta con flores, en realidad estamos viendo el esporófito. Los gametófitos de las Gimnospermas se encuentran en las piñas, mientras que los de las Angiospermas se encuentran en las flores. También existen variaciones sexuales en el tipo de esporas producidas y, por tanto, en el tipo de gametófitos que derivan de ellas. En los helechos y la mayoría de otras plantas vasculares sin semillas, un solo tipo de espora da lugar a un gametófito bisexual, que produce tanto ovocé-

06_Capítulo

21/11/05

150

09:19

Página 150

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

En la mayoría de los Briófitos, como el musgo:

En la mayoría de las plantas vasculares, como los helechos: Esporófitos (independientes)

Esporófitos (dependientes)

Gametófitos (independientes) Gametófitos (independientes)

En las Gimnospermas, como las coníferas: Esporófito (independiente)

Gametófitos femeninos microscópicos en piñas femeninas (dependientes)

En las Angiospermas (plantas con flores): Esporófito, que es la planta con flores (independiente)

Gametófitos masculinos microscópicos en conos masculinos (dependientes)

lulas como espermatozoides. No obstante, la mayoría de las plantas con semilla presenta dos tipos de esporas: una macróspora, que produce un gametófito femenino, y una micróspora que produce un gametófito masculino. Los botánicos han discutido las razones por las que en los ciclos vitales sexuales de las plantas participan esporófitos y gametófitos. La teoría más extendida es que cada una de estas generaciones pluricelulares dota al organismo de una ventaja selectiva. Por ejemplo, en las plantas sin semillas, el esporófito suele aportar una ventaja significativa al crecer en suelos secos. Mientras, los gametófitos de vida independiente suelen ser pequeños y permiten que la reproducción sexual se produzca de forma rápida con una cantidad mínima de agua (normalmente, con una gota basta), para permitir al espermatozoide nadar hasta la ovocélula. Por esa razón, los helechos pueden vivir lejos del agua y seguir obteniendo del rocío, la niebla o las precipitaciones esporádicas el agua necesaria para reproducirse. Cabría preguntarse por qué anfibios como los sapos no presentan dos fases vitales pluricelulares. La respuesta es que los sapos son móviles y pueden volver al agua para fecundar los huevos.

Gametófitos masculinos dentro de estas partes masculinas de las flores (dependientes)

Gametófitos femeninos dentro de estas partes femeninas de las flores (dependientes)

Figura 6.5.

Reproducción de esporófitos y gametófitos típicos.

Entre los vegetales, existen variaciones en el tamaño relativo de los esporófitos y gametófitos, así como en la relación física existente entre ambas fases vegetales pluricelulares. El gametófito es la fase dominante e independiente de los Briófitos, mientras que en las plantas vasculares, los gametófitos suelen ser microscópicos, y el esporófito es el vegetal que nos resulta familiar.

Repaso de la sección 1. ¿Cuál es la diferencia fundamental entre mitosis y meiosis? 2. Describe el emparejamiento de cromosomas homólogos. 3. ¿Qué es la alternancia de generaciones?

Estructura de la piña y de la flor Como sabemos, muchas de las especies vegetales son plantas con semillas: Gimnospermas o Angiospermas. Por lo tanto, en esta sección nos centraremos en cómo las piñas y las flores facilitan la reproducción sexual. Las piñas, también denominadas estróbilos o conos, y las flores se forman después de que los meristemos apicales se han convertido en meristemos reproductores. Ambas estructuras presentan hojas modificadas productoras de esporas denominadas esporofilos. Éstos contienen esporangios, que son estructuras huecas que producen esporas. Las esporas dan lugar a los gametófitos.

06_Capítulo

21/11/05

09:19

Página 151

CAPÍTULO 6

En las plantas con semillas, antes de que tenga lugar la fecundación, debe producirse la polinización. En las plantas con semillas los gametófitos masculinos son los granos de polen, que en conjunto se conocen como polen. El proceso de transferir polen de la parte «masculina» a la parte «femenina» de una planta se denomina polinización. No obstante, se debe tener en cuenta que la polinización no garantiza la fecundación. Para que ésta se produzca, el esperma producido por un grano de polen debe unirse con una ovocélula en la parte femenina de la planta con semillas. Cada ovocélula está contenida en una estructura denominada óvulo (del latín ovulum, «huevo pequeño»). La fertilización no es inmediatamente posterior a la polinización y puede no producirse hasta transcurridos unos meses, si es que se produce. Si existe fecundación, el óvulo se convierte en una semilla. Algunas especies de plantas con semillas tienen la capacidad de llevar a cabo una autopolinización, dado que los gametófitos masculinos y femeninos se encuentran en la misma planta. Por ejemplo, en la mayoría de las especies de Gimnospermas, los gametófitos masculinos y femeninos se encuentran en diferentes conos de un mismo pie. En la mayoría de las especies de Angiospermas, los gametófitos masculinos y femeninos no sólo se encuentran en el mismo vegetal, sino que además están en la misma flor. En algunas especies de Angiospermas, los gametófitos masculinos y femeninos se localizan en diferentes flores del mismo vegetal. Se dice que estas especies son monoicas (del griego, «una casa»), pues cada planta

◆

Ciclos vitales y estructuras reproductoras

presenta a la vez flores masculinas y femeninas. Algunos ejemplos son la calabaza y el maíz. Por el contrario, en algunas especies de Angiospermas las flores masculinas y femeninas se encuentran en diferentes pies. Dichas especies reciben el nombre de dioicas (del griego, «dos casas»). En las especies dioicas, la única polinización posible es la polinización cruzada entre dos pies separados. La marihuana (Cannabis sativa) y el sauce (especies del género Salix) son ejemplos de especies dioicas.

En las Gimnospermas, algunos meristemos apicales producen conos Las Gimnospermas son conocidas por sus piñas características, en las que las semillas están al descubierto. Los meristemos apicales que se convierten en reproductores resultan en conos polínicos (conos simples o conos masculinos) o en conos ovulares (conos compuestos o piñas femeninas) (Figura 6.6). Por ejemplo, en los pinos, un cono polínico se genera a partir de un meristemo que produce un tallo con hojas unidas. El tallo se convierte en el eje del cono, mientras que las hojas se modifican y se convierten en esporofilos con aspecto de papel, con esporangios que forman esporas mediante meiosis. Las piñas «femeninas» se dicen ovulíferas, porque contienen los óvulos portadores de las ovocélulas. Al igual que en los conos polínicos, el meristemo forma un tallo que se convierte en el eje de la piña. Sin embargo, las hojas se modifican y se convierten en brácteas leñosas. En la base de cada

Pino

Óvulo Esporofilo Eje Esporangio

Esporangio Esporofilo

Escama Ovulífera

Figura 6.6.

Esporangio Escama ovulífera Eje Bráctea Integumento del óvulo Esporangio dentro del óvulo

Bráctea

(a) Los conos polínicos se forman cada estación y presentan esporofilos con aspecto de papel, que contienen esporangios que liberan polen durante la primavera.

151

(b) Las piñas necesitan varias estaciones para madurar y poseen escamas leñosas que suelen contener dos óvulos que, a su vez, se convierten en semillas. Cada escama está formada de esporofilos soldados derivados de una yema axilar muy modificada, que se forma en el eje entre la bráctea (hoja modificada) y el eje de la piña (en esta sección transversal sólo es visible un óvulo por escama.)

Piñas de las Gimnospermas.

En una Gimnosperma común, como el pino, los conos polínicos («piñas masculinas») y los conos ovulíferos («piñas femeninas») se localizan en el mismo árbol.

06_Capítulo

21/11/05

152

09:19

Página 152

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

bráctea, una yema axilar forma esporofilos, que se fusionan para formar una escama que suele contener dos óvulos. El viento o los insectos transfieren los gametófitos masculinos (granos de polen) desde los conos polínicos hasta los gametófitos femeninos adheridos a las piñas ovulares.

Estambre

Antera Filamento

Estigma Carpelo (pistilo) Estilo Ovario

En las Angiospermas, algunos meristemos apicales producen flores Las Angiospermas son conocidas por sus flores características, que contienen semillas encerradas. Los meristemos apicales que se convierten en reproductores, producen flores masculinas, femeninas o bisexuales, dependiendo de la especie. El viento, los insectos, los pájaros y algunos mamíferos, como los murciélagos, transfieren los granos de polen hacia las partes femeninas de las flores. Los polinizadores son atraídos hacia las flores por los colores, el néctar azucarado y otros elementos atrayentes, y transportan involuntariamente polen de una planta a otra. Como ya sabemos, las flores aparecieron en el desarrollo evolutivo de los vegetales hace relativamente poco tiempo, originándose a partir de modificaciones de los meristemos apicales y de las hojas que éstos producen. La relación evolutiva entre las hojas y las flores puede apreciarse con facilidad en algunas flores, pero no en todas. Como veremos con más detalle en el Capítulo 12, las señales producidas en las hojas y transmitidas al meristemo apical inician la formación de una flor. Los cambios estacionales, particularmente la duración de las noches, controlan la producción de estas señales desde las hojas. Se desconoce cuál es la identidad de dichas señales. Cuando la señal inducidora llega desde las hojas, el meristemo apical comienza a alargarse y acaba produciendo partes de la flor a partir de primordios que, de otra manera, se habrían convertido en hojas. Todas las partes de la flor son hojas modificadas. Como veremos, algunas de estas hojas modificadas son esporofilos. La función de los esporofilos en la reproducción se analizará con mayor profundidad en los Capítulos 21 y 22.

Una flor puede comprender hasta cuatro tipos de hojas modificadas Puesto que las Angiospermas incluyen cerca de 258.000 especies, y han existido desde hace más de 140 millones de años, existe gran variabilidad en la estructura floral de las especies vivas. Antes de estudiar las múltiples variaciones de la estructura floral, examinaremos los componentes típicos de una flor (Figura 6.7). Una flor común se

Óvulos Receptáculo Pedúnculo

Figura 6.7.

Pétalo (parte de la corola) Sépalo (parte del cáliz) Perianto

Estructura común de una flor.

Una flor se sitúa sobre un tallo floral denominado pedúnculo. La punta del pedúnculo se hincha y se convierte en un receptáculo. Hasta cuatro tipos de hojas modificadas se unen al receptáculo: sépalos, pétalos, estambres y carpelos (también denominados pistilos). Los sépalos y los pétalos, que son estériles, se conocen en conjunto con los nombres respectivos de cáliz y corola. Los estambres y los carpelos son fértiles, y en conjunto reciben los nombres respectivos de androceo y gineceo. Este diagrama es general, ya que muchas flores no incluyen todas estas partes.

asienta sobre un tallo conocido como pedúnculo. En la parte superior de éste aparece una punta hinchada denominada receptáculo, que sostiene las partes de la flor. Un receptáculo puede llevar hasta cuatro tipos de hojas modificadas: sépalos, pétalos, estambres y carpelos. Los sépalos y los pétalos son estériles, mientras que los estambres y los carpelos son los esporofilos, es decir, las hojas modificadas fértiles y reproductoras. Los sépalos (del latín sepalum, «cobertura») protegen el capullo de la flor antes de que se abra. Suelen ser de color verde y es la parte que primero se forma en el receptáculo, además de la más inferior. El conjunto de sépalos recibe el nombre de cáliz, y puede aparecer soldado. Los pétalos (de latín petalum, «extenderse») son las coloridas hojas modificadas que se encargan de atraer a los polinizadores. Los pétalos se forman después que el cáliz, por dentro o por encima de éste, en el receptáculo. El conjunto de pétalos se denomina corola y también puede aparecer soldado. El cáliz y la corola, que comprenden los dos tipos de hojas modificadas estériles, reciben el nombre de perianto, que significa «alrededor de la flor». Los estambres son las partes productoras de polen, o «masculinas», de una flor. El conjunto de estambres se denomina androceo (del griego, «la casa del hombre»). Los

06_Capítulo

21/11/05

09:19

Página 153

CAPÍTULO 6

◆

Ciclos vitales y estructuras reproductoras

estambres son los terceros en formarse, y lo hacen en el interior o por encima del perianto. Cada estambre posee un filamento largo con una antera, compuesta por dos lóbulos y cuatro sacos polínicos. Los granos de polen (los gametófitos masculinos) se forman en el interior de estos sacos. Los carpelos (del griego karpos, «fruto») son la parte portadora de óvulos, o «femenina», de la flor, conocidos en conjunto con el nombre de gineceo (del griego, «la casa de la mujer»). Los carpelos son los últimos en formarse, y lo hacen en el interior o por encima del androceo. El gineceo puede consistir en uno o más carpelos, y éstos pueden estar separados o soldados. En ocasiones, se utiliza el término pistilo para referirse a un sólo carpelo, que es conocido con el nombre de pistilo simple o carpelo simple, o a un grupo de carpelos soldados, conocidos como carpelo compuesto o pistilo compuesto. Cada carpelo o grupo de carpelos soldados (pistilo) comprende un estigma, un estilo y un ovario. El estigma, localizado en la parte superior del carpelo, presta una superficie adherente para el polen. El estilo es la sección media que conecta el estigma al ovario y puede ser largo o corto. El ovario contiene uno o más óvulos, y termina por hincharse para convertirse en parte o en la totalidad del fruto. Un grano de polen depositado en el estigma germina para producir un tubo polínico que crece en sentido descendente a través del estilo hasta el ovario. Al penetrar en el gametófito femenino, la célula espermática fertiliza la ovocélula que luego se convierte en el zigoto. Tras la fecundación, el óvulo se convierte en una semilla. Una segunda célula espermática del grano de polen se combina con dos o más núcleos de los producidos por el gametófito femenino para formar un núcleo endospérmico poliploide, que se divide para producir alimentos para el embrión en desarrollo. Esta doble fecundación es una de las características que definen a las plantas con flores. En dichas plantas, la mayoría de los núcleos endospérmicos son de tipo 3n y sólo pueden dividirse por mitosis. Un pedúnculo puede contener una única flor o un grupo de flores denominado inflorescencia. En una inflorescencia, cada flor se asienta sobre un pequeño tallo llamado pedicelo.

153

Panícula

Espiga

Racimo Amento

Corimbo

Umbela simple

Umbela compuesta

El número y la simetría de las partes de la flor pueden variar La estructura de una flor es tremendamente variable. Por ejemplo, las flores pueden variar en el tipo de estructuras presentes. Se dice que una flor es completa cuando contiene los cuatro tipos de hojas modificadas: sépalos, pétalos, estambres y carpelos, tal y como se muestra en la Figura 6.7.

Capítulo

Figura 6.8.

Inflorescencias.

Las inflorescencias agrupan un conjunto de flores sobre un único pedúnculo.

06_Capítulo

21/11/05

154

09:19

Página 154

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

Una flor que carece de uno o más de estos tipos de hojas modificadas es una flor incompleta. Las flores también pueden clasificarse de acuerdo a la presencia o no de ambos tipos de hojas modificadas fértiles. Una flor hermafrodita o bisexual, también conocida como flor perfecta, posee estambres y carpelos. Una flor unisexual, también conocida como flor imperfecta, posee estambres o carpelos, pero nunca ambos. Una flor masculina (estaminada) es una flor imperfecta que sólo presenta estambres. Una flor femenina (carpelada o pistilada) es una flor imperfecta que sólo presenta carpelos. Una flor hermafrodita o perfecta puede ser completa o incompleta, dependiendo de si posee sépalos y pétalos. Evidentemente, una flor unisexual es siempre incompleta. En otras palabras, aunque posea sépalos y pétalos, siempre carecerá de carpelos o de estambres. La simetría de las flores también es variable. Las flores que presentan una simetría radial se dicen regulares. También se conocen como flores actinomorfas o radiales (del griego aktis, «radio»). En una simetría radial, las partes florales se extienden desde el centro hacia fuera (Figura 6.9a). Algunos ejemplos son las flores del manzano y los tulipanes. Algunas flores presentan una simetría bilateral, que significa que sólo pueden dividirse a lo largo de una línea imaginaria que da lugar a dos partes especularmente idénticas (Figura 6.9b). Se dice que tales flores son irregulares o zigomorfas (del griego zygon, «yugo» o «par»). Algunos ejemplos son la boca de dragón y numerosas orquídeas. Con frecuencia, la selección natural modifica la estructura floral reflejando las necesidades o la estructura de los

(a) Flor regular o actinomorfa (simetría radial)

Figura 6.9.

organismos polinizadores. Algunas flores producen néctar azucarado que atrae a los polinizadores. El polen se adhiere al animal, que lo transporta hasta las flores de otras plantas, produciéndose una polinización cruzada. La estructura de muchas flores, modelada mediante selección natural, atrae a ciertos organismos polinizadores que visitarán otras flores producidas por la misma especie vegetal. De igual forma, la estructura de los animales suele reflejar las características que facilitan la obtención de alimento en un tipo particular de planta. Por ejemplo, las flores polinizadas por los colibríes suelen ser largas, y el néctar azucarado se encuentra en la parte inferior del tubo floral. Por su parte, los colibríes poseen picos largos que facilitan su acceso al néctar. Las anteras de dichas flores depositan el polen en las plumas de los pájaros. La polinización y la coevolución de las plantas y los animales que las polinizan serán analizadas en profundidad en el Capítulo 23.

La posición del ovario en una flor puede variar La localización del ovario con respecto a las otras partes de la flor puede ser útil para la clasificación de la misma. Si los estambres, sépalos y pétalos soldados se unen al receptáculo por debajo del ovario, se dice que el perianto o androceo es hipógino (del griego hipo, «debajo»), y el ovario se denomina ovario súpero (Figura 6.10). Si los estambres, sépalos y pétalos soldados se unen por encima del ovario, se dice que el perianto o androceo es epígino

(b) Flor irregular o zigomorfa (simetría bilateral)

Tipos de simetría floral.

Las flores en las que los miembros de cada verticilo presentan simetría radial son conocidas como regulares o actinomorfas. Las flores de Coreopsis lanceolata son un ejemplo. Las que presentan simetría bilateral se denominan irregulares o zigomorfas. La orquídea Calypso bulbosa es un ejemplo de este tipo de flores.

06_Capítulo

21/11/05

09:19

Página 155

CAPÍTULO 6

◆

Ciclos vitales y estructuras reproductoras

Figura 6.10.

Ovario semi-ínfero Ovario súpero Ovario ínfero

(del griego epi, «encima»). Como el ovario se sitúa por debajo de estas partes, se denomina ovario ínfero. El perianto o androceo es perígino (del griego peri, «alrededor»), cuando las partes se unen a medio camino del ovario, éste se denomina entonces ovario semi-ínfero.

Las estructuras florales son un ejemplo de cómo la selección natural puede modificar una forma ya existente Hemos observado que las hojas se modifican para desempeñar otras funciones diversas, como los pinchos o espinas, y las partes de la flor. Este patrón evolutivo mediante el cual una estructura modificada desempeña nuevas funciones se produce con frecuencia en todas las formas vivas, pues las mutaciones sólo pueden modificar estructuras existentes. Si las modificaciones aumentan la capacidad de un vegetal para sobrevivir y producir descendencia, perduran en las generaciones siguientes. Por ejemplo, los pétalos tienen colores muy brillantes que atraen a los insectos, los cuales distribuyen el polen con mayor extensión que el viento. En este caso, una mutación responsable del cambio de color de una hoja verde puede aumentar la progenie, así como su distribución geográfica. Sucesivas mutaciones podrían cambiar la forma del pétalo, de manera que la flor pareciese una pareja deseable para un insecto. Gradualmente, la forma y el color de un pétalo pueden modificarse tanto, que su origen evolutivo como hoja no resulta evidente para un observador inexperto. En el Capítulo 23, veremos cómo los estambres y carpelos pueden haber evolucionado a partir de hojas.

155

Posición del ovario en una flor.

El ovario puede encontrarse encima, en medio o por debajo de la unión de las otras estructuras florales. Si se sitúa encima de ellas, se denomina ovario súpero. Si se sitúa entre ellas, se denomina ovario semi-ínfero. Si se sitúa por debajo de ellas, se denomina ovario ínfero.

Repaso de la sección 1. Describe de qué manera funcionan las piñas como estructuras reproductoras en las Gimnospermas. 2. Describe las funciones de los cuatro tipos de hojas modificadas que se pueden encontrar en una flor. 3. ¿En qué se diferencian una flor completa de una flor perfecta?

Estructura de la semilla Las semillas ayudan a los vegetales a superar los períodos difíciles; las estaciones con temperaturas extremas o ausencia de humedad pueden hacer imposible el crecimiento, o incluso la vida. Las semillas podrían no haber evolucionado si el clima fuese propicio para el crecimiento durante todo el año. Por ejemplo, los helechos y otras plantas sin semillas dominaban el mundo vegetal cuando los continentes, como resultado del movimiento constante de las placas de la corteza terrestre, se agruparon cerca del Ecuador. Con todo, en respuesta a los medios estacionales actuales, los animales hibernan, almacenan alimentos en las madrigueras, emigran hacia climas más templados o construyen refugios para cobijarse del mal tiempo. Las Gimnospermas y las Angiospermas producen semillas, diminutas copias latentes de ellas mismas que germinan cuando las condiciones favorables regresan. La superproducción de semillas ostenta un papel preponderante en la alimentación del mundo animal.

06_Capítulo

21/11/05

156

09:19

Página 156

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

Las semillas se forman a partir de óvulos en las brácteas de la piña o en los carpelos de la flor Las Gimnospermas producen semillas en las brácteas (hojas expuestas en las piñas) o cerca de ellas, mientras que las Angiospermas producen semillas en el interior de los ovarios de las flores. Las semillas protegen a los embriones vegetales de la desecación, y facilitan su supervivencia en terrenos secos. Como hemos visto, las semillas se desarrollan a partir de esporangios unidos a hojas modificadas: los esporofilos de una piña o los carpelos de una flor. El óvulo se origina unido a una hoja modificada y se convierte en una semilla tras la fecundación. Las capas externas del óvulo, conocidas como tegumentos, se endurecen para convertirse en la testa. Generalmente un óvulo presenta uno o dos tegumentos. Como vimos en la Figura 6.6, en la piña de Gimnospermas como el pino, cada escama suele contener dos óvulos. Cada óvulo fertilizado se convierte en una semilla que se sitúa sobre la escama. En las Angiospermas, las semillas se desarrollan como óvulos fecundados en el interior del ovario, el cual forma la base del carpelo (Figura 6.11). Al madurar, el ovario se convierte en un fruto. Estudiaremos más sobre la formación de un embrión en una semilla en los Capítulos 22 y 23.

Ovario

Óvulos

Embrión Endospermo (suministro de alimento)

Semilla (óvulo fertilizado)

Testa

Figura 6.11.

El óvulo en las plantas con flores.

En una planta con flores, cada carpelo contiene dos o más óvulos en el interior de un ovario, localizado en la base del pistilo. Cada óvulo fecundado se convierte en una semilla.

Las semillas alimentan y protegen el embrión en desarrollo Si tuviésemos que explicar a un niño pequeño qué es una semilla, podríamos decirle que es «una planta bebé dentro de una caja con su comida». Por supuesto, la planta bebé es el embrión. Las paredes de la caja son la testa. La comida consiste en moléculas de almidón, proteínas y grasa que rodean al embrión contenido en la semilla. Una semilla de Gimnosperma contiene un embrión con varios cotiledones unidos a un tallo corto y a una raíz embrionaria. El embrión está rodeado de cantidades variables de tejido, que tanto aquél como la testa utilizan para su nutrición. En el Capítulo 3, vimos la estructura básica de las semillas de Dicotiledóneas y Monocotiledóneas (véase Figura 3.11). Las semillas de Dicotiledóneas y Monocotiledóneas se diferencian no sólo en el número de cotiledones que contienen, sino también en su estructura. Las semillas de Dicotiledóneas comprenden un embrión con cotiledones prominentes y carnosos portadores de almidón, proteínas y lípidos, que la semilla germinante descompone y utiliza como esqueletos de carbono. Los cotiledones se unen a un tallo corto que culmina en la raíz embrionaria denominada radícula. El embrión puede retorcerse, dependiendo de cuánto crezca un embrión de la especie en cuestión. En las semillas de Dicotiledóneas, el embrión está rodeado de cantidades variables de endospermo nutritivo, que a su vez está rodeado por la testa. Las semillas de Monocotiledóneas, como los cereales y otras gramíneas, contienen un pequeño embrión en un lado y un gran endospermo con almidón, que ocupa la mayor parte de la semilla. El embrión presenta un cotiledón denominado escutelo, que está unido al eje embrionario portador de los meristemos de la raíz y del vástago. Una capa proteínica, denominada capa de aleurona, rodea al endospermo y responde a las señales del escutelo produciendo enzimas que rompen el almidón (Capítulo 11). Una testa rodea la capa de aleurona y el embrión. Una vez el embrión ha completado su formación y en respuesta a los impulsos hormonales, la mayoría de las semillas pierden cantidades considerables de agua e inician un estado de dormancia o latencia.

En la germinación de las semillas, primero crece la raíz embrionaria atravesando la testa, y luego se inicia la formación de la plántula Cuando las semillas maduras se desprenden de frutos o piñas, contienen entre un 5 y un 20% de agua de peso.

06_Capítulo

21/11/05

09:19

Página 157

CAPÍTULO 6

La germinación de las semillas comienza con la imbibición, un proceso pasivo en el que la semilla seca absorbe agua como una esponja. En la mayoría de las semillas, la germinación comienza unas horas después de que se complete la imbibición. Por ejemplo, la germinación de las semillas de lechuga (Lactuca sativa) comienza alrededor de 16 horas después del inicio de absorción de agua. Muchas semillas permanecen en estado de dormancia tras su formación, incluso cuando ya pueden comenzar la imbibición. Por lo general, estas semillas durmientes contienen ácido abscísico u otros compuestos que impiden que se produzca la germinación. Como el ácido abscísico se deteriora gradualmente durante el invierno, y en la primavera siguiente alcanza niveles muy bajos, las semillas pueden germinar. De este modo, el ácido abscísico funciona como una especie de reloj que impide que las semillas germinen durante los intervalos cálidos del invierno, pues las jóvenes plántulas se congelarían rápidamente. En ocasiones, para romper la dormancia es necesaria la presencia de temperaturas específicas o condiciones de luz relacionadas con la producción de hormonas, como las giberelinas, por parte de los embriones. Algunos tipos de lechuga sólo germinan cuando están al sol o a la sombra, dependiendo de las preferencias del vegetal adulto. El primer signo visible de la germinación es el crecimiento de la radícula atravesando la testa. El meristemo apical de la raíz en la radícula se activa y comienza a producir la raíz de la plántula mediante división y elongación celulares. Las moléculas de alimento de la plántula, particularmente las de los cotiledones, se rompen para suministrar energía y moléculas estructurales necesarias para el crecimiento radical. Poco después del comienzo de éste, se inicia también el crecimiento del tallo embrionario, denominado plúmula, y se forma la plántula completa. En algunas Dicotiledóneas y en la mayoría de Monocotiledóneas, el hipocótilo apenas se desarrolla, y los cotiledones permanecen sobre la superficie del suelo o por debajo de ella. Cuando los cotiledones están bajo tierra, este tipo de germinación se denomina hipogea (de las palabras griegas que significan «bajo tierra»). Un ejemplo es el maíz (Figura 6.12a). Sin embargo, en la mayoría de Dicotiledóneas y algunas Monocotiledóneas, el hipocótilo crece y empuja los cotiledones por encima de la superficie del suelo. Como los cotiledones están por encima de la tierra, esta germinación se conoce como germinación epigea (del griego, «encima de la tierra», Figura 6.12b). En la germinación epigea, los cotiledones también fun-

◆

Ciclos vitales y estructuras reproductoras

157

Hojas del primer follaje

(a) Germinación en la cual el cotiledón o los cotiledones están por debajo de la tierra (germinación hipogea). Ejemplo: maíz.

Hojas del follaje Cotiledones Epicótilo Hipocótilo Testa

Hipocótilo

(b) Germinación en la que el cotiledón o los cotiledones están por encima de la tierra (germinación epigea). Ejemplo: judías verdes.

Figura 6.12.

Germinación de una semilla.

(a) En algunas plantas, como el maíz, el hipocótilo no se alarga, y los cotiledones permanecen por debajo del suelo. (b) En otras plantas, como las judías verdes, se forma un hipocótilo alargado entre los cotiledones y las raíces. El hipocótilo porta el tallo, el epicótilo, por encima de la tierra. En las judías verdes, el hipocótilo se dobla para formar un gancho que se va enderezando gradualmente.

06_Capítulo

21/11/05

158

09:19

Página 158

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

B IO T E C NO L O G ÍA Apomixis en la agricultura obtuvieron la primera patente para una planta apomíctica. Produjeron maíz apomíctico cruzando el maíz tradicional con el maicillo oriental (Tripsacum dactyloides), una gramínea silvestre. En el Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo de Méjico, los científicos han continuado en su labor de transferir genes de una gramínea salvaje al maíz para la apomixis. Aunque existen más de 300 especies vegetales que pueden producir semillas apomícticas, la mayoría de ellas, salvo los cítricos y alguna más, no son plantas de cultivo. Los parientes silvestres del sorgo, la remolacha, la fresa y el mango producen semillas mediante apomixis. Sin duda, en los próximos años, oiremos hablar más sobre la prometedora apomixis como medio para incrementar la cantidad y la calidad de nuestros alimentos.

omo ya sabemos, mediante un proceso conocido como apomixis, algunas plantas producen semillas asexuales que germinan produciendo descendencia idéntica al progenitor. Los científicos de todo el mundo se han fijado en la genética de este proceso. Por ejemplo, los investigadores que estudian el diente de león han descubierto tres genes que controlan la apomixis. Los agrónomos tienen un gran interés en incorporar al repertorio genético de ciertos cultivos la capacidad de producir semillas apomícticas. El porqué de su interés nos remonta a 1908, cuando un cultivador de maíz, de nombre G. H. Shull, descubrió que si cruzaba dos líneas puras de maíz, el híbrido resultante producía cuatro veces más maíz. Este denominado vigor híbrido puede darse en numerosas especies vegetales, entre las que se incluyen los cereales que sirven de alimento básico para el mundo. El problema es que las semillas híbridas deben volver a crearse cada año. Los científicos deben mezclar dos variedades, una que actúe como progenitor femenino y otra que lo haga como progenitor masculino, para producir la semilla híbrida. Este costoso proceso anual consume recursos como la tierra y el tiempo de los trabajadores. Si un vegetal híbrido produjera semillas mediante apomixis, los científicos o agricultores podrían simplemente recolectar estas semillas híbridas directamente y utilizarlas el año siguiente. El alto rendimiento de los híbridos puede transmitirse a futuras generaciones de vegetales de manera fácil y económica. Por otro lado, las semillas apomícticas podrían dificultar a una empresa proteger una patente de una semilla híbrida. Cualquier persona que cosechase el cultivo podría guardar algunas semillas para el siguiente año, aunque sería perseguido legalmente. A pesar de los problemas derivados de infringir la patente, las empresas podrían dedicar a producir productos nuevos y útiles muchos de los recursos que hoy en día están dirigidos a la producción de semillas híbridas. En 1997, dos científicos (uno norteamericano y uno ruso)

El maicillo oriental, una gramínea silvestre apomíctica, es un pariente lejano del maíz.

cionan como órganos fotosintéticos. Sin embargo, están más expuestos a condiciones climáticas adversas, que pueden darse en plena primavera. Aunque las semillas son generalmente el resultado de la reproducción sexual, muchas plantas producen semi-

llas asexualmente a través de un proceso conocido como apomixis (del griego, «fuera del acto de mezclarse»). Las semillas apomícticas se forman sin la «mezcla» o unión de espermatozoides y ovocélulas (véase el cuadro Biotecnología en esta página). Algunos ejemplares de diente de

C

Una zarzamora produce semillas mediante apomixis.

06_Capítulo

21/11/05

09:19

Página 159

CAPÍTULO 6

león producen semillas sexuales, mientras que otros producen semillas apomícticas. De este modo, la especie está preparada para un medio cambiante o estable. En el Capítulo 11, veremos con más detalle el proceso de germinación de la semilla.

Repaso de la sección 1. Explica cómo se originan las semillas. 2. ¿Cuáles son las funciones de las semillas? 3. Describe el proceso de la germinación.

Estructura del fruto Antes de la aparición de las flores, las plantas no producían semillas, o las producían expuestas en las brácteas de las piñas. En las plantas con flores, las semillas están contenidas en un ovario, producido como parte de la flor. Tras la fecundación y el desarrollo de la semilla, el ovario, y ocasionalmente otras partes de la flor, se desarrolla para producir un fruto. Los frutos pueden tener múltiples fines, dependiendo de la especie. Protegen el embrión en desarrollo (semillas) de la desecación y, hasta cierto punto, también lo protegen de enfermedades y de la actuación de herbívoros. Promueven la dispersión de las semillas por parte de los animales que comen el fruto. Además, proporcionan un fertilizante recién hecho a la semilla que germina. En nuestras latitudes, la mayoría de las personas conocen las frutas que crecen en climas templados, como las manzanas y naranjas, así como algunas frutas tropicales que pueden transportarse sin estropearse demasiado, como las piñas. Sin embargo, existen muchas frutas tropicales deliciosas que no pueden transportarse con facilidad y que no suelen estar disponibles en nuestros mercados (véase el cuadro El fascinante mundo de las plantas en la página siguiente).

Durante el desarrollo de las semillas en una planta con flores, el ovario se desarrolla para formar parte de un fruto o integrar su totalidad Desde el punto de vista botánico, un fruto consiste en un ovario u ovarios maduros, que comprenden las semillas. Comúnmente, sin embargo, la mayoría de las personas utiliza el término fruto (o fruta) para referirse únicamen-

◆

Ciclos vitales y estructuras reproductoras

159

te a las variedades jugosas de sabor dulce o ácido, como las manzanas, naranjas y limones. Por otro lado, algunos frutos que no son dulces, como los tomates, calabacines, judías verdes y berenjenas, se conocen como «hortalizas». De hecho, el término hortaliza se ha convertido en un calificativo popular para un amplio surtido de partes comestibles de los vegetales que no son dulces, como tubérculos (patatas), raíces modificadas (batatas), hojas (lechuga), flores no abiertas y pedúnculos (brócoli). La función primaria del fruto es diseminar las semillas hacia nuevas áreas donde podría crecer el vegetal. Es un alimento dulce y sugerente para los animales, que bien se lo llevan directamente, bien depositan las semillas con las heces. En la naturaleza, los frutos carnosos también pueden ayudar a nutrir a la semilla germinante. Al fin y al cabo, las semillas nunca aparecen de manera natural debajo de una buena tierra de jardín. A menudo, un fruto podrido proporciona un «suelo inicial» suficiente para permitir que la plántula se establezca, de forma que su raíz puede penetrar en el suelo disponible. Los frutos pueden ser carnosos o secos. La pared ovárica, denominada pericarpo, consiste en tres partes: una parte externa llamada exocarpo (generalmente la piel), una parte intermedia llamada mesocarpo y una parte interna llamada endocarpo (Figura 6.13). En el Capítulo 11 veremos cómo las hormonas controlan el desarrollo y la maduración de un fruto. En éste que nos ocupa nos centraremos en las variedades básicas de frutos.

Exocarpo Mesocarpo

Pericarpo

Endocarpo

Semilla

Figura 6.13.

La pared ovárica hinchada de un fruto se denomina pericarpo.

La pared ovárica de un fruto consiste en una capa interna (endocarpo), una capa intermedia (mesocarpo) y una capa externa (exocarpo). Según el tipo de fruto, una o más de estas capas pueden ser gruesas o finas, carnosas o secas.

06_Capítulo

21/11/05

160

09:19

Página 160

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

EL FASCINANTE MUNDO DE LAS PLANTAS Frutas tropicales Dependiendo del lugar donde vivamos y de cuánto hayamos viajado, estaremos más o menos familiarizados con las frutas tropicales. Los habitantes de regiones templadas, como la mayoría de los países europeos y Estados Unidos, han comido plátanos, cítricos, piñas y, de manera menos frecuente, aguacates, cocos y dátiles. Las pocas variedades de frutas tropicales que pueden transportarse bien y cuya cáscara o piel es duradera se han convertido en una importante fuente de cultivos de exportación para numerosos países tropicales. Otras muchas variedades se dan en los mercados locales. De vez en cuando también se encuentran en los mercados de latitudes templadas algunas frutas tropicales frescas, como las guayabas y los mangos, aunque no siempre en condiciones óptimas. Para casi la mitad de la población mundial, las frutas tropicales desempeñan un papel Papaya muy importante en el suministro de nutrientes y calorías. Como muchas de ellas crecen en países tropicales y subtropicales en estado silvestre y, en algunos casos, durante todo el año, son un alimento muy abundante, económico o incluso gratuito. Como no suelen conservarse bien tras las cosechas, no constituyen una partida importante de la economía de exportación. El coste y el desconocimiento de muchas frutas tropicales, así como la poca resistencia de su cáscara o piel, han limitado su entrada en la dieta de países europeos o de Estados Unidos. En la nutrición humana, los plátanos y las bananas o baDurian nanos, del género Musa, representan el cuarto cultivo mundial más importante con respecto al valor bruto de la producción. Normalmente, los plátanos se comen crudos y las bananas, que contienen más almidón, se cocinan. Los plátanos son la fruta más vendida en Estados Unidos y, después del arroz y el maíz, son el segundo cultivo más importante en la dieta de la mayor parte de la población mundial. A pesar de su popularidad y su importancia, tanto los pláta-

nos como las bananas siguen siendo un cultivo apenas estudiado. Existen cientos de variedades, muchas de las cuales crecen mejor en regiones ecogeográficas muy específicas. En los países en desarrollo, los plátanos crecen durante todo el año como una maleza, y sirven de alimento en los períodos entre cosechas de otros cultivos. Otras frutas tropicales importantes son las siguientes: • El durian (Durio zibethinus) es una fruta grande y espinosa, muy conocida en el sudeste asiático. Su intenso olor, parecido al del queso y muy diferente al de otras frutas, Banano rojo disgusta a unos y entusiasma a otros. La pulpa del durian es dulce y mantecosa. • El mangostán (Garcinia mangostana) tiene un sabor dulce, ligeramente ácido. • Los litchis (Litchi chinensis) son una fruta muy empleada en la elaboración de postres. • El mango (Mangifera indica) es considerado por algunos como el rey de las frutas tropicales, debido a su exótico sabor. • La guayaba (Psidium guayava) tiene un sabor que muchas personas describen como una mezcla entre plátano y piña. • La jaqueira, fruta de Jack o del Carambola pobre (Artocarpus heterophyllus), está estrechamente emparen• tado con el árbol del pan. Es una fruta dulce, que puede llegar a pesar hasta 50 kilogramos y a medir hasta 1 metro de longitud. Las frutas de Jack son caulifloras, es decir, cuelgan directamente del tronco. • La fruta del pan (Artocarpus communis) nace del árbol del pan, endémico de la Polinesia. Debido a su alto contenido en almidón, estas frutas se suelen servir como si fueran patatas o en forma de puré o zumo. • La carambola o fruta estrella (Averrhoa carambola) está cada vez más presente en los mercados. Su consistente pulpa hace que se la describa como una mezcla entre manzana y uva. La carambola es también una fruta cauliflora. • La papaya (Carica papaya) es también una fruta cauliflora que aparece en los mercados cuando llega la temporada. Algunas personas identifican su sabor con el del melocotón.

06_Capítulo

21/11/05

09:19

Página 161

CAPÍTULO 6

Los frutos pueden clasificarse en simples, agregados o múltiples Existen tres tipos generales de frutos: simples, agregados y múltiples. La mayoría de los frutos son frutos simples, que se desarrollan a partir de un carpelo o de varios carpelos soldados. Los frutos agregados se originan a partir de una flor que contiene numerosos carpelos libres. Cada carpelo se convierte en un diminuto fruto que se une, o agrega, a otros frutillos similares en un único receptáculo. Algunos ejemplos son las zarzamoras, las fresas y las magnolias. Los frutos múltiples se desarrollan a partir de los carpelos de más de una flor en una única inflorescencia condensada, como en el caso de las piñas y los higos. Cuando maduran, los frutos múltiples pueden ser carnosos o secos. La Tabla 6.1 muestra un breve esquema de los frutos comestibles más comunes. Con todo, hay que tener en cuenta que todas las especies de plantas con flores producen frutos, tanto si son comestibles como si no.

◆

◆

Frutos simples carnosos En los frutos simples carnosos, una o más capas del pericarpio se ablandan durante la maduración. Los tipos básicos incluyen bayas, hesperidios, pepónides, drupas y pomos. ◆

◆

En las bayas, las tres capas del pericarpo se vuelven carnosas en grados diversos a medida que el fruto madura. Las bayas pueden originarse a partir de un carpelo o de varios, y cada uno puede contener una o múltiples semillas. Algunos ejemplos son los tomates, las uvas y los plátanos. En muchas plantas que producen bayas, el ovario de la flor es ínfero o semi-ínfero. Consiguientemente, diversas partes de la flor pueden integrar el fruto. Los frutos que contienen otras partes de la flor, además del ovario, se llaman en ocasiones frutos complejos. Las bayas suelen incluir en la punta partes marchitas de la flor, como el arándano y el plátano. Algunos frutos conocidos ordinariamente como bayas son, desde el punto de vista botánico, frutos agregados. Las fresas, por ejemplo, son un receptáculo carnoso con muchos aquenios individuales en su superficie (los aquenios serán descritos a continuación). Los hesperidios son botánicamente parecidos a las bayas, a excepción de que presentan una piel o exocarpo coriáceo que genera aceites picantes o ácidos.

◆

◆

Ciclos vitales y estructuras reproductoras

161

La pared ovárica interna produce sacos que se llenan de jugo. Los hesperidios engloban todos los cítricos, como el pomelo, el kumquat, el limón, la lima y la mandarina. Las pepónides son parecidas a las bayas, con la salvedad de que poseen una cáscara o exocarpo grueso. Son miembros de la familia de las calabazas (Cucurbitaceae), como la sandía, la calabaza y el melón. El mesocarpo y el endocarpo pueden no distinguirse entre sí. Las drupas se desarrollan a partir de las flores con ovario súpero y en general con un solo óvulo. El fruto simple y generalmente carnoso parece una baya, pero posee un duro endocarpo conocido como hueso, que suele estar unido a la semilla única. Algunos ejemplos de drupas son las aceitunas y los cocos. En el coco, la cáscara fibrosa, formada por el mesocarpo y el exocarpo, se retira antes de que, lo que nosotros conocemos como coco, se comercialice. La cáscara fibrosa se utiliza para fabricar cepillos y esteras. La parte externa del coco duro, que normalmente vemos en el mercado, es el endocarpo. Dentro se encuentra la pulpa del coco, que es endospermo celular, y el agua de coco, que es endospermo compuesto sólo por núcleos y no por células completas. El embrión es cilíndrico y está contenido en el endospermo celular. La leche de coco es un producto comercial fabricado a partir de la mezcla de ambos endospermos. Los pomos son parecidos a las bayas, pero la mayor parte del fruto carnoso proviene de un receptáculo grande que se forma a partir del receptáculo. Como el cáliz y la corola se unen en este punto, su base se convierte en parte del fruto, y sus restos pueden apreciarse con frecuencia en el extremo del fruto opuesto al tallo. Por tanto, los pomos son ejemplos de frutos complejos. Algunos pomos conocidos son las manzanas y las peras.

Frutos simples secos Los frutos simples secos pueden clasificarse en dehiscentes o indehiscentes. Los frutos secos dehiscentes se dividen y se abren al madurar para liberar las semillas. La palabra dehiscente procede del latín y significa «dividirse abriéndose». ◆

Los folículos presentan carpelos simples que se dividen a lo largo de una sutura para liberar las semillas. Algunos ejemplos son la asclepia, la aguileña y la mag-

06_Capítulo

21/11/05

162

09:19

Página 162

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

Tabla 6.1. Tipos de frutos Tipo

Descripción

Ejemplos

Frutos agregados

Frutos que se forman a partir de una flor con varios carpelos libres entre sí Frutos que se forman a partir de una inflorescencia condensada

Zarzamoras, fresas, frambuesas, magnolias

Frutos múltiples

Frutos simples-carnosos Bayas Frutos que contienen de una a numerosas semillas y un pericarpo que, cuando madura, se vuelve carnoso y se suele volver dulce y delgado Hesperidios Frutos similares a las bayas, pero con un pericarpo coriáceo que produce aceites aromáticos Pepónides Frutos parecidos a las bayas, pero con una cáscara gruesa (exocarpo)y de ovario inferior Drupas Una única semilla rodeada de un endocarpo duro que forma lo que comúnmente se conoce como hueso. El mesocarpo y el exocarpo son carnosos o fibrosos Pomos La mayor parte del fruto se forma a partir de un receptáculo engrosado. Frutos simples-secos dehiscentes Folículos Frutos de 1 carpelo que se abren a lo largo de una sutura cuando se liberan las semillas Legumbres Frutos de 1 carpelo que se dividen en dos mitades, cada una de las cuales contiene semillas. Las legumbres pertenecen a la misma gran familia vegetal de los guisantes y las judías. Las semillas pueden nacer en un ovario común o en compartimentos separados Silicuas Frutos secos de 2 carpelos en los que las semillas residen en una partición existente entre las mitades del ovario Cápsulas Frutos de dos o más carpelos, que se dividen por los nervios, o por opérculos o poros Frutos simples-secos indehiscentes Nueces, núculas Frutos secos con un pericarpo duro y grueso o frutos de cáscara pudiendo tener una cúpula basal

Piñas, moras, higos, fruta del pan

Uvas, dátiles, berenjenas, tomates, pimientos verdes, arándanos, grosellas, mangostanes, guayabas, plátanos, caquis Todos los cítricos, como las naranjas, limones, pomelos Calabazas, pepinos, calabacines, melones, sandías Aceitunas, melocotones, almendras, cocos

Peras, manzanas

Asclepias, aguileñas, peonías, magnolias Guisantes, judías, algarrobas, cacahuetes

Zurrón de pastor, coles, berros, rábanos Amapolas, lirios, boca de dragón, orquídeas, yuca

Bellotas, pecanas, castañas, avellanas

Esquizocarpos

Poseen un pericarpio duro y delgado que se divide en dos o más partes

Miembros de la familia del perejil, como las zanahorias

Aquenios

Poseen pericarpos delgados. La única semilla se une al pericarpo sólo en su base Poseen pericarpos delgados. Las semillas se disponen a veces en pares, y poseen alas que permiten su dispersión con el viento Semillas de gramíneas en las que el fruto posee un pericarpo duro, unido totalmente al embrión

Girasoles, ranúnculos

Sámaras

Cariopsis o granos

◆

nolia. Los frutos de la magnolia son frutos múltiples que comprenden folículos individuales, donde cada uno contiene una semilla. Las legumbres son parecidas a los folículos con la salvedad de que, al madurar, las legumbres poseen dos

Arces, olmos, fresnos

Todos los miembros de la familia de las gramíneas, como el maíz y el arroz

nervios (el de sutura y el del carpelo) que dividen el fruto en dos mitades, Cada mitad alberga semillas. Entre los miembros de la familia de las leguminosas (Fabaceae), se incluyen vegetales como las judías, los cacahuetes y los guisantes.

06_Capítulo

21/11/05

09:19

Página 163

CAPÍTULO 6

◆

◆

Las silicuas, producidas por las especies de la familia de la mostaza (Brassicaceae), son frutos secos que consisten en dos carpelos que se dividen en dos mitades, con las semillas albergadas en una partición central situada entre ambas mitades. Algunos ejemplos son el zurrón de pastor y la col. Las cápsulas se dividen de diferentes modos, dependiendo de la especie que las produce. Todas las cápsulas se desarrollan a partir de, al menos, dos carpelos. Algunas se dividen a lo largo de las suturas entre los carpelos; otras se abren por el centro de éstos; y otras forman opérculos o poros en la parte superior del ovario. Las amapolas, los lirios y las orquídeas son algunos ejemplos de plantas productores de cápsulas.

Los frutos secos indehiscentes continúan cerrados al madurar. Algunos ejemplos son las nueces (núculas o frutos de cáscara), los esquizocarpos, los aquenios, las sámaras y las cariopsis. ◆

◆

◆

◆

◆

Las nueces, núculas o frutos de cáscara presentan pericarpos pétreos, como si fueran conchas, y se originan a partir de carpelos compuestos. Algunos ejemplos son las bellotas y las avellanas. Algunas «nueces» no son realmente nueces en un sentido botánico estricto. Por ejemplo, las almendras y las nueces son drupas con el mesocarpo y el exocarpo suprimidos. El coco de Brasil es en realidad una semilla que procede de una cápsula, mientras que los pistachos son semillas que se encuentran en el interior de drupas. Los esquizocarpos son típicos de la familia del perejil (Apiaceae), como el perejil, la zanahoria, el eneldo y el apio, así como el arce (Aceraceae). Los esquizocarpos poseen un pericarpo duro y fino, que se abre en dos o más partes, cada una de las cuales contiene una semilla. En el arce, cada par de semillas presenta unas alas adheridas. Los aquenios parecen nueces pequeñas, con pericarpios duros y finos y una única semilla. Puesto que los aquenios se unen al pericarpio por un solo punto, las semillas pueden retirarse fácilmente de los frutos. Los aquenios se forman a partir de carpelos sencillos. Los girasoles y los ranúnculos producen aquenios. Como ya hemos visto, una fresa es un fruto agregado que contiene muchos aquenios. Las sámaras del fresno y del olmo son como aquenios, con la adición de pericarpos duros, finos y largos, que producen alas alrededor de una semilla única. Las cariopsis o granos son comunes en todos los miembros de la familia de las gramíneas (Poaceae), en

◆

Ciclos vitales y estructuras reproductoras

163

la cual se incluyen el arroz y el maíz. El grano es un fruto seco, parecido a un aquenio, con un pericarpo duro. Al contrario que en un aquenio, en un grano el pericarpo y la testa se fusionan alrededor del embrión, por lo que el fruto no se abre cuando madura. Lo que muchas personas llaman semilla del maíz o del arroz es realmente un fruto, una cariopsis. El embrión y el endospermo están rodeados del pericarpo. Los integumentos desaparecen durante la maduración del fruto.

Una serie de mecanismos dispersa las semillas y los frutos hacia nuevos lugares La dispersión de las semillas sigue múltiples y diversos patrones, dependiendo de si la planta produce frutos comestibles, frutos o semillas que se adhieren a los animales, o frutos o semillas transportados por el viento o por el agua. Unas veces, es la propia semilla la que se dispersa; otras veces, es el fruto el que lo hace, como en el caso de los frutos carnosos. Incluso puede ser el vegetal en sí el que se disperse. Por ejemplo, en el caso de la barrilla pinchuda (Salsola kali), el viento se lleva rodando el vegetal completo y distribuye las semillas a su paso. Este efectivo método de dispersión de semillas ha hecho que la barrilla pinchuda sea una planta simbólica en la zona oeste de Norteamérica. En realidad, la barrilla pinchuda es originaria de Rusia. Unos inmigrantes rusos transportaron accidentalmente consigo semillas de esta planta a Estados Unidos, mezcladas con otras semillas de cultivo que habían llevado para plantar. Algunas semillas presentan plumas o pelusa (como las semillas de diente de león, Figura 6.14a), o alas (como las semillas de arce, Figura 6.14b) para facilitar su vuelo con el viento. Otras son redondas, como las semillas de la amapola o del tabaco, y por tanto pueden rodar con la acción del viento. Algunas semillas, como las de las orquídeas o las petunias, son diminutas y vuelan con el viento como si fueran partículas de polvo. La dispersión autoinducida de semillas a través del aire se produce en diferentes especies, pero de muy diversas maneras. Un método atípico de dispersión aérea es el de los frutos del muérdago enano, que son disparados al aire violenta y rápidamente cuando el calor de un animal que pasa los activa. En el muérdago diminuto, la descarga se produce tras el aumento de la presión de agua en el fruto. En otros frutos, como los del hamamelis, la descarga se activa al secarse el fruto. En algunos miembros de la familia de las calabazas, el calor y la fermentación en el interior del fruto provocan una descar-

06_Capítulo

21/11/05

164

09:19

Página 164

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

(c)

(a)

(b)

(d)

Figura 6.14.

(e)

(f)

Dispersión de semillas.

(a) Las semillas y los frutos pueden dispersarse con el viento. Algunas semillas, como las del diente de león, poseen el cáliz modificado en forma de plumas, lo que permite su dispersión aérea. Los frutos del arce y del pino (b) poseen alas. En el caso de la barrilla pinchuda, todo el vegetal se rompe por la base y rueda por el suelo con el viento. El paso de algunas semillas, como las de estas frambuesas (c), a través del sistema digestivo de un animal, disuelve parte de la testa, facilitando la germinación. Los animales también sirven para dispersar las semillas (d). Muchas semillas poseen anzuelos o ganchos en sus testas o en la cobertura de sus frutos, que se adhieren al pelaje de los animales. La mayoría de las semillas o frutos son capaces de aprovechar el viaje, pues se adhieren al pelaje (o a la ropa). Los senderistas conocen de sobra los frutos del abrojo (Xanthium). El harpagófito (Harpagophytum procumbens) (e) es un fruto que se pega a las patas de los animales y finalmente se abre para liberar sus semillas. (f) Algunas semillas producen eleosomas (en la figura son los componentes artificialmente coloreados en la punta de las semillas), que son cuerpos de aceite que atraen a las hormigas. Éstas dispersan las semillas al alimentarse del eleosoma, pues transportan las semillas y su eleosoma bajo tierra. El alimento beneficia a las hormigas, mientras que el destino subterráneo beneficia a las semillas.

06_Capítulo

21/11/05

09:19

Página 165

CAPÍTULO 6

ga explosiva de las semillas, contenidas en una sustancia efervescente, en cuanto la pared ovárica es lo suficientemente débil como para sucumbir a la presión interna generada por el CO2. Algunos frutos y semillas, como en el caso del coco, se dispersan con bastante éxito flotando en el agua. En las aguas oceánicas, estos frutos precisan gruesas capas externas, duras o esponjosas, para impedir la entrada del agua salada. Así, el coco, adaptado para sobrevivir largos períodos de tiempo flotando en el océano, ha llegado a numerosos lugares nuevos arrastrado por las corrientes. Otros vegetales producen semillas o frutos con bolsas de aire atrapado que favorecen la flotación. Por ejemplo, las ciperáceas son plantas de pantanos o ciénagas que producen semillas cubiertas por sacos, rodeados a su vez de membranas, que ayudan a las semillas a flotar. Por otro lado, las ceras que repelen el agua cubren algunos frutos y semillas de manera que pueden sobrevivir a la dispersión acuática. En el transcurso de inundaciones, plantas enteras pueden ser arrancadas de su emplazamiento y enviadas a nuevos lugares. Las cápsulas rellenas de semillas pueden ser esparcidas por las gotas de lluvia a nuevos lugares localizados a unos metros de distancia. Algunas semillas delegan su dispersión en los animales, sirviéndoles de alimento y aprovechando el viaje. En algunos casos, la semilla pasa a través del sistema digestivo para finalmente germinar en un nuevo lugar, envuelta en un cúmulo de fertilizante recién hecho (Figura 6.14c). La maduración de un fruto implica cambios en la coloración, que pasa a ser roja, amarilla o naranja, pues estos colores atraen a los animales. Además, los frutos maduros producen un olor agradable o, al menos, interesante, y suelen ser dulces al paladar. Estas características de los frutos carnosos atraen a los agentes animales de la disper-

◆

Ciclos vitales y estructuras reproductoras

165

sión. Cuando el nivel de azúcar del fruto está aumentando, el color suele volverse más brillante. Con frecuencia, los frutos verdes, con semillas inmaduras, son amargos y desagradables al gusto, provocando que el animal desista. Por ejemplo, algunas variedades de caqui son particularmente ricas en taninos astringentes antes de madurar. El tanino es el mismo compuesto que hace que, en ocasiones, las hojas de té sean amargas. En otros casos, la semilla o el fruto produce ganchos, anzuelos o sustancias adhesivas que se adhieren al pelaje o a la piel de los animales para embarcarse en un viaje hacia nuevos horizontes (Figura 6.14d y e). En gran cantidad de especies de plantas (hasta un tercio de las especies en algunos ecosistemas), las hormigas son las encargadas de transportarlas a nuevos lugares. Algunas semillas producen unos apéndices blancos denominados eleosomas, que sirven de alimento para las hormigas (Figura 6.14f). En Norteamérica, entre este tipo de vegetales se encuentran la dicentra o corazón de María, Trillium (especies de lirio), Dicentra cucullaria, y algunas violetas. El ser humano también transporta plantas, semillas y frutos ya sea voluntaria o involuntariamente. Esto es algo que preocupa a los agricultores, pues existen nuevas y virulentas enfermedades vegetales, así como plantas nocivas, que pueden expandirse por todo el mundo a causa del contacto humano.

Repaso de la sección 1. ¿Cuáles son las funciones de un fruto? 2. Describe la estructura básica de un fruto. 3. ¿En qué se diferencian un fruto simple, un fruto agregado y un fruto múltiple?

RESUMEN Introducción a la reproducción de las plantas Los rasgos estructurales, funcionales y bioquímicos de un organismo están diseñados para asegurar el éxito del individuo, así como el de la producción de descendencia. La reproducción asexual se produce mediante mitosis y da lugar a descendientes genéticamente idénticos entre sí a su progenitor (pág. 143) Las plantas tienden a emplear la reproducción asexual en ambientes estables. Algunos métodos incluyen la producción de

vástagos adventicios a partir de las raíces y de plántulas a partir de las hojas. La reproducción sexual provoca variación genética (págs. 143-145) En la reproducción sexual, la descendencia presenta una combinación de los rasgos genéticos de cada uno de los dos progenitores. La reproducción sexual es más usual en ambientes variables o cambiantes, donde un alto grado de variabilidad de los rasgos de la descendencia podría ser de utilidad para garantizar la supervivencia de la especie.

06_Capítulo

21/11/05

166

09:19

Página 166

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

Meiosis y alternancia de generaciónes La meiosis produce núcleos que contienen la mitad del número original de cromosomas. Dichas células son necesarias en la reproducción sexual para mantener constante el número de cromosomas. Los núcleos hijos producidos por meiosis conservan una copia de cada cromosoma (págs. 145-147) En la meiosis, los cromosomas homólogos forman pares en la profase I de manera que, como resultado de la meiosis I, el número de cromosomas se divide efectivamente a la mitad. La meiosis II se asemeja a la mitosis. El resultado final de la meiosis de una célula diploide son cuatro células haploides, que en los vegetales son las esporas. El ciclo sexual de una planta presenta fases pluricelulares tanto haploides como diploides (págs. 147-150) En los ciclos vitales sexuales de las plantas, un esporófito pluricelular diploide (2n) se alterna con un gametófito pluricelular haploide (n). En los ciclos vitales de las plantas, la meiosis produce esporas haploides. El espermatozoide y óvulos se producen mediante la mitosis de las estructuras que se originan a partir de estas esporas. En la mayoría de las plantas, los gametófitos son menos visibles que los esporófitos.

Una flor puede comprender hasta cuatro tipos de hojas modificadas (págs. 152-153) Los cuatro tipos de hojas modificadas que forman parte de una flor son los sépalos, los pétalos, los estambres y los carpelos. El número y la simetría de las partes de la flor pueden variar (págs. 153-154) Las flores completas poseen los cuatro tipos de hojas modificadas. Las flores incompletas carecen de uno o más tipos. Las flores perfectas poseen estambres y carpelos, mientras que las flores imperfectas poseen o estambres o carpelos. Las flores regulares presentan simetría radial, mientras que las irregulares presentan simetría bilateral. Con frecuencia, la estructura de las flores ha evolucionado en conjunción con la estructura y hábitos evolutivos de los animales polinizadores. La posición del ovario en una flor puede variar (págs. 154-155) Los sépalos, los pétalos y los estambres pueden unirse por debajo, por encima o en medio del ovario. Las estructuras florales son un ejemplo de cómo la selección natural puede modificar una forma ya existente (pág. 155) Las flores evolucionaron como resultado de mutaciones foliares que aumentaron la capacidad de los vegetales para sobrevivir.

Estructura de la semilla Estructura de la piña y de la flor En las plantas con semillas, para que se produzca la fecundación, primero ha de producirse la polinización. En la mayoría de las especies de Gimnospermas, los gametófitos masculinos y femeninos se localizan en diferentes conos del mismo vegetal. La mayor parte de las especies de Angiospermas producen flores que contienen partes masculinas y femeninas. Algunas especies de Angiospermas son monoicas, es decir, cada vegetal presenta flores masculinas y flores femeninas. Otras son dioicas, esto es, cada vegetal es bien masculino o bien femenino. En las Gimnospermas, algunos meristemos apicales producen conos (págs. 151-152) Las piñas son meristemos reproductores que se desarrollan a partir de meristemos vegetativos. El tallo se convierte en el eje central de la piña. En un pino, las hojas se modifican para convertirse en esporofilos en los estróbilos masculinos, y en brácteas en las piñas femeninas. En las últimas, los esporofilos se desarrollan a partir de yemas axilares. En las Angiospermas, algunos meristemos apicales producen flores (pág. 152) En respuesta a diversas señales hormonales, los meristemos apicales pueden dar lugar a flores masculinas, femeninas o hermafroditas. Todas las partes de una flor son hojas modificadas.

Las semillas son el producto de la reproducción vegetal en la tierra seca. Existen para ayudar a las plantas a superar las estaciones del año inhóspitas para su crecimiento. Las semillas se forman a partir de óvulos en las brácteas de la piña o en los carpelos de la flor (pág. 156) En las Gimnospermas, las semillas se forman a partir de óvulos en la superficie superior de las brácteas de la piña. En las Angiospermas, las semillas se forman a partir de óvulos en el interior de los carpelos del fruto. Las brácteas, las escamas de las piñas, los carpelos y los frutos se originan a partir de hojas modificadas. Las semillas alimentan y protegen el embrión en desarrollo (pág. 156) Una semilla es un embrión rodeado de cantidades variables de tejido nutritivo y, a su vez, de una testa. El tejido nutritivo es utilizado a medida que el embrión se desarrolla en el interior del óvulo. Los tegumentos, o capas que rodean al embrión, se convierten en la testa. En la germinación de las semillas, primero crece la raíz embrionaria atravesando de la testa, y luego se inicia la formación de la plántula (págs. 156-159) Las semillas contienen muy poca agua. Un período de absorción de agua, denominado imbibición, precede a la germinación, que comienza cuando la radícula se abre paso a través de la testa para tomar contacto con el suelo. Muchas semillas con-

06_Capítulo

21/11/05

09:19

Página 167

CAPÍTULO 6

tienen ácido abscísico, que impide la germinación durante unos meses tras la formación de la semilla. La dormancia de las semillas evita que éstas germinen cuando las condiciones ambientales son inapropiadas para su supervivencia.

◆

Ciclos vitales y estructuras reproductoras

167

13. Describe la estructura básica de una semilla y explica cómo se produce la germinación. 14. ¿Cuáles son las diferencias entre un fruto simple, uno múltiple y uno agregado? 15. ¿Cuáles son los métodos básicos de dispersión de semillas?

Estructura del fruto Durante el desarrollo de las semillas en una planta con flores, el ovario se desarrolla para formar parte de un fruto o integrar su totalidad (pág. 159) En términos botánicos, un fruto consiste en un ovario u ovarios maduros. Los frutos pueden ser carnosos o secos. La parte externa de la pared ovárica es el exocarpo, la parte intermedia es el mesocarpo, y la interna es el endocarpo. Los frutos pueden clasificarse en simples, agregados o múltiples (págs. 161-163) Los frutos pueden ser simples, agregados (que tienen más de un carpelo en una única flor) o múltiples (que se forman a partir de más de una flor). Los frutos simples pueden ser carnosos o secos. Los frutos secos pueden ser dehiscentes (se abren al madurar) o indehiscentes (siguen cerrados al madurar). Una serie de mecanismos dispersa las semillas y los frutos hacia nuevos lugares (págs. 163-165) Las semillas pueden dispersarse con el viento y flotando en el agua. Algunos frutos adquieren colores brillantes y sabores dulces cuando maduran, atrayendo así a los animales que los asisten en la dispersión de las semillas. Ciertos frutos descargan sus semillas de forma explosiva.

Cuestiones de repaso 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

Compara y contrasta la reproducción asexual y la sexual. ¿Cuál es la diferencia entre haploide y diploide? ¿Cuál es la utilidad de la meiosis? ¿Cómo describirías los cromosomas homólogos a un amigo que nunca ha estudiado Biología? ¿Qué ocurre durante el emparejamiento de los cromosomas? ¿Por qué la meiosis I es conocida como la división reductora? ¿Cuál es la diferencia entre un gametófito y un esporófito? Subraya las etapas básicas del ciclo vital sexual de una planta, indicando cuándo tienen lugar la meiosis y la mitosis. Describe las variaciones básicas entre gametófitos y esporófitos. ¿Cuál es la diferencia entre una especie monoica y una dioica? Identifica los cuatro tipos de hojas modificadas en una flor y describe brevemente sus funciones. ¿Es una flor completa una flor perfecta? ¿Es una flor perfecta una flor completa? Razona tu respuesta.

Cuestiones para reflexionar y debatir 1. Supón que un agrónomo y un ingeniero genético han trabajado juntos, y han producido una planta que crece en estado silvestre bajo casi todas las condiciones climáticas, y que produce abundantes y sabrosos frutos y semillas aptos para el consumo humano. ¿Cuáles crees que serían las consecuencias biológicas, sociológicas, económicas y políticas? 2. Imagina que eres transportado hasta el Período Carbonífero, hace 320 millones de años. Las plantas con semillas no existen, así que los frutos y las semillas no forman parte de tu dieta, pero necesitas una alimentación adecuada para sobrevivir. Y, por cierto, eres vegetariano. ¿Qué prepararías para cenar? 3. ¿Por qué sería peligroso para un vegetal confiar en una única especie animal como agente polinizador? 4. Algunas plantas con flores se autopolinizan. Dado que no son polinizadas por otros seres vivos, ¿por qué crees que estas plantas todavía tienen flores? 5. Algunos frutos son venenosos, mientras que otros son comestibles. ¿Cómo facilitan estas dos características la dispersión de semillas? 6. Dibuja diagramas explicativos que ilustren y comparen los gametófitos de un musgo, un helecho, una Gimnosperma, y una Angiosperma.

Conexión evolutiva Los biólogos creen que, en la historia de la vida en la Tierra, la reproducción asexual evolucionó antes que la sexual. Esta última es claramente una estrategia exitosa que tiene un gran valor adaptativo, pues la mayoría de las eucariotas presentan ciclos vitales que incluyen la reproducción sexual. Más aún, en muchas eucariotas, la reproducción sexual es el único proceso reproductor en su ciclo vital. ¿Por qué la reproducción sexual es tan ventajosa?

Para saber más Babel, Nancy. The New Seed Starters’ Handbook. Emmaus, PA: Rodale Press, 1988. Gran cantidad de información botánica básica y técnicas útiles para cultivar vegetales a partir de semillas. Hutton, Wendy y Heinz Von Losen. Tropical Fruits of Asia. Boston: Periplus Editions, 1996. Un libro elegantemente ilus-

06_Capítulo

21/11/05

168

09:19

Página 168

UNIDAD UNO

◆

Estructura de las plantas

trado con numerosos detalles sobre los frutos tropicales de Tailandia, Malasia e Indonesia. Klein, Maggie Blyth. All About Citrus and Subtropical Fruits. New York: Ortho Books, 1985. Fotografías e información sobre 50 variedades de cítricos y 16 frutas exóticas. Schneider, Elizabeth. Uncommon Fruits & Vegetables: A Commonsense Guide. New York: William Morrow, 1998. Infor-

mación interesante sobre la compra, el almacenamiento y el consumo de 80 frutos y hortalizas poco comunes. Susser, Allen y Grez Schneider. The Great Mango Book. Berkeley, CA: Ten Speed Press, 2001. Los mangos empezaron siendo un ingrediente fundamental en la cocina india. Hoy en día, se emplean en todo el mundo más de 50 variedades para la preparación de numerosos y diversos platos y bebidas.

07_Capítulo

21/11/05

10:30

Página 169

UNIDAD DOS

Funciones de las plantas

07_Capítulo

21/11/05

10:30

Página 170

07_Capítulo

21/11/05

10:30

Página 171

7 Bioquímica vegetal básica

Café, eucalipto, jengibre, albahaca y clavo: todos producen compuestos bioquímicos utilizados por los seres humanos.

Componentes moleculares de un organismo vivo

Los metabolitos secundarios, como los fenoles, alcaloides y terpenoides, suelen servir para proteger o fortalecer los vegetales

Los carbohidratos, que proporcionan y almacenan energía, y funcionan como Energía y reacciones químicas bloques de construcción estructural, comprenden azúcares y polímeros de azúcar La energía puede almacenarse y puede Las proteínas, que catalizan las reacciones mover o cambiar la materia y funcionan como bloques Las reacciones químicas implican una de construcción estructural, entrada o salida neta de energía libre son polímeros de aminoácidos Las reacciones redox liberan energía como Los ácidos nucleicos ADN y ARN, resultado del movimiento de electrones que codifican y expresan la información entre átomos o moléculas genética, son polímeros de nucleótidos El enlace del grupo fosfato terminal Los lípidos son componentes de la del ATP libera energía cuando se rompe membrana, constituidos fundamentalmente En los organismos vivos, NADH, NADPH por átomos de carbono e hidrógeno y FADH2 son los transportadores derivados de acetatos y de otras moléculas universales de electrones ricos en energía

Reacciones químicas y enzimas La teoría de la colisión explica la formación de productos mediante reacciones en gases o líquidos Las enzimas ubican los reactivos, permitiendo que se produzcan reacciones con una energía de activación o un incremento de temperatura mínimos Los cofactores, como las coenzimas, interaccionan con las enzimas para ayudar a que se produzcan las reacciones La inhibición competitiva o no competitiva puede ralentizar o detener las reacciones y rutas enzimáticas Las reacciones enzimáticas están interconectadas mediante rutas metabólicas

07_Capítulo

21/11/05

172

10:30

Página 172

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

U

no de los paradigmas del Universo es que los objetos grandes están formados por numerosos componentes más pequeños. En términos químicos, todo está formado por las pequeñas piezas de materia que llamamos moléculas, y las moléculas en sí mismas están compuestas por átomos. Un automóvil, integrado por piezas de metal y plástico, consiste en último lugar en pequeñas moléculas. Los ingredientes de un pastel, como la harina, el azúcar y el aceite, tienen una estructura molecular. Los organismos vivos no son una excepción. Así como en un juego, las pequeñas piezas ajustables encajan entre sí para formar un puzle o una estructura Lego®, un organismo puede fragmentarse en componentes que contienen billones de moléculas. La Bioquímica es el estudio de cómo las moléculas orgánicas, basadas en armazones de átomos de carbono, conforman la estructura básica de los organismos. A pesar de que la Bioquímica es un tema complejo, la visión general bioquímica de un organismo vivo es aparentemente simple, pues consiste en tres categorías de componentes: ◆

◆

Moléculas orgánicas que funcionan como «bloques de construcción». Los organismos fotosintéticos, como las plantas, fabrican diferentes tipos de moléculas orgánicas pequeñas. Utilizando el CO2 del aire y el H2O del suelo, la fotosíntesis produce fosfatos de azúcar de tres carbonos, que a su vez se utilizan (en ocasiones junto con minerales del suelo) para fabricar otros tipos de moléculas. Otras formas de vida obtienen los bloques de construcción moleculares de la vida de forma directa o indirecta a partir de las plantas y otros organismos fotosintéticos. Por ejemplo, los animales se alimentan de vegetales o de animales que han comido vegetales. Cuando hablamos de alimentos, nos referimos bioquímicamente a las moléculas orgánicas que proporcionan energía y que nuestros cuerpos reorganizan para fabricar las moléculas orgánicas que necesitamos producir y que nos mantienen. Enzimas. Las enzimas son proteínas que ayudan en las reacciones químicas de las células. Modifican moléculas orgánicas pequeñas y las combinan y vuelven a combinar en moléculas más grandes, más pequeñas o diferentes. Una célula viva posee miles de enzimas diferentes, cada una de las cuales lleva a cabo una modificación o unión específica de moléculas orgánicas. En resumen, las enzimas son las herramientas que dan lugar a los componentes celulares, las células y, por último, los organismos.

◆

Un proyecto para producir todos los distintos tipos de moléculas. El ADN en los cromosomas contiene el proyecto del organismo; concretamente, la estructura de las enzimas. Una vez se producen las enzimas, éstas comienzan el proceso de modificación de las moléculas orgánicas para convertirlas en componentes celulares y organísmicos.

De manera general, la Bioquímica implica examinar cómo todos estos componentes encajan entre sí e interactúan. En este capítulo, primero veremos los tipos básicos de moléculas que forman los bloques de construcción de los vegetales y de otros organismos. Después examinaremos las funciones de la energía y las enzimas en las reacciones químicas, que proporcionan una base para el estudio de la fotosíntesis y la respiración en los dos capítulos siguientes. Si fuera necesario repasar conceptos de Química básica, podremos remitirnos al Apéndice A.

CH3

H2C=CH H3C

N

CH2CH3

N Mg

N

H 3C

N

CH3

CH2 CH2 O C O

C O

O CH3

O

CH2 CH

Clorofila a

C CH3 CH2 CH2 CH2 CH CH3 CH2 CH2 CH2 CH CH3 CH2 CH2 CH2 H 3C

CH CH3

Esta estructura de clorofila a representa uno de los millones de moléculas presentes en las hojas.

07_Capítulo

21/11/05

10:30

Página 173

CAPÍTULO 7

La mayor parte de las grandes moléculas de los vegetales y otros organismos están compuestas por sólo unos pocos tipos de moléculas más pequeñas. Una macromolécula típica es un polímero, una molécula larga compuesta por unidades estructurales repetitivas denominadas monómeros. Podríamos pensar que los monómeros son ladrillos de construcción iguales. Por ejemplo, la mayoría de los carbohidratos son polímeros formados por moléculas de azúcar enlazadas. Como ya veremos, diversas combinaciones de sólo unos pocos tipos de monómeros pueden dar lugar a una amplia variedad de polímeros. Generalmente, los monómeros se unen para formar polímeros mediante una reacción química conocida como síntesis por deshidratación, bautizada así porque el enlace se produce al eliminar una molécula de agua (Figura 7.1a). La síntesis por deshidratación también se denomina reacción de deshidratación o reacción de condensación. Además de formar macromoléculas, las células también han de descomponerlas en moléculas más pequeñas. Como cabría esperar, romper un enlace formado mediante síntesis por deshidratación implica añadir una molécula de agua, un proceso conocido como hidrólisis. Básicamente, la hidrólisis es el proceso inverso a la síntesis por deshidratación (Figura 7.1b). Como vimos en el Capítulo 2, existen cuatro tipos fundamentales de macromoléculas en los organismos vivos: carbohidratos, proteínas, ácidos nucleicos y lípidos. Estas macromoléculas se denominan metabolitos primarios,

1

2

3

+

H

Polímero corto

1

Los carbohidratos, cuyos nombres generalmente adoptan la terminación -osa, comprenden todos los azúcares y sus polímeros. Cada carbohidrato contiene carbono, hidrógeno y oxígeno, y puede clasificarse como monosacárido, disacárido o polisacárido. Los monosacáridos son el tipo más simple de carbohidrato, con una fórmula molecular que suele ser múltiplo de CH2O. Los monosacáridos también se conocen como azúcares simples o carbohidratos simples. El monosacárido más abundante en los vegetales es la glucosa, una combinación de dos fosfatos de azúcar que son productos inmediatos de la fotosíntesis (Figura 7.2a). Los vegetales HO

1

2

3

4

Monómero no ligado

2

3

4

H

H

H2O

H2O

Eliminación de una molécula agua

HO

Los carbohidratos, que proporcionan y almacenan energía, y funcionan como bloques de construcción estructural, comprenden azúcares y polímeros de azúcar

H

HO

173

Bioquímica vegetal básica

porque son productos esenciales del metabolismo o de las reacciones químicas, involucrados en el crecimiento y desarrollo de cada célula vegetal y, de hecho, de las células de todos los organismos. A continuación nos centraremos en la estructura de dichas macromoléculas y, además, veremos algunas moléculas denominadas metabolitos secundarios porque no son esenciales para el crecimiento y desarrollo básicos del vegetal. Los metabolitos secundarios no se encuentran en todas las células vegetales, ni tampoco en todas las especies vegetales, pero desempeñan una serie de funciones importantes, como proporcionar sostén estructural y proteger a muchos vegetales de la actuación de los herbívoros, así como de enfermedades.

Componentes moleculares de un organismo vivo

HO

◆

Adición de una molécula de agua

HO

1

2

3

H

+

HO

Polímero más largo (a) Síntesis por deshidratación de un polímero, el proceso mediante el cual los monómeros se unen para formar polímeros. La formación y eliminación de una molécula de agua da como resultado la unión de un monómero con otro.

Figura 7.1.

(b) Hidrólisis de un polímero, el proceso inverso, mediante el cual un monómero se separa de otros monómeros al añadir una molécula de agua.

Síntesis por deshidratación e hidrólisis.

Carbohidratos, proteínas, ácidos nucleicos y lípidos: todos son importantes polímeros presentes en las células.

H

07_Capítulo

21/11/05

174

10:30

Página 174

UNIDAD DOS

H

◆

Funciones de las plantas

O 1C

H

2

HO

3

H

C C

4

C

6 CH

OH H

H OH

5

OH

H

6

OH

C

6 CH

2OH

O

C H OH

4C

H

C

5

OH

5

H

H

H

O

2

3C

C

H

OH

Azúcar de cinco carbonos

Azúcar de tres carbonos H

O

H

C

O C

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H Gliceraldehído

H Ribosa Azúcares de seis carbonos O C

H H

O H

C

H

C

OH

HO

C

H

C

OH

C

O

H

C

OH

H

HO

C

H

HO

C

H

C

OH

HO

C

H

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

Glucosa

H Galactosa

H Fructosa

(b) Ejemplos de monosacáridos

Figura 7.2.

O

3C

H 2

C

OH

Forma cíclica

(a) Estructura de la glucosa, un monosacárido

H

OH

H OH

H

H Forma lineal

H

C

Algunas estructuras de monosacáridos.

(a) La glucosa, un azúcar de seis carbonos, existe en forma de cadena lineal o cíclica. En este diagrama, la transición entre ambas formas se muestra también mediante una fórmula estructural abreviada. (b) Los azúcares pueden tener diferente número de átomos de carbono, pero generalmente poseen entre cuatro y siete. Los azúcares de tres carbonos no presentan fórmula cíclica, pero sí pueden aparecer azúcares mayores como cadenas lineales o cíclicas. Se debe tener en cuenta, al comparar la glucosa y la galactosa, que la variación en torno a los carbonos asimétricos (en gris), da lugar a diferentes azúcares. Los azúcares también pueden variar en la posición del grupo carbonilo (en rosa).

H

H 4C

1C

2OH

1C

OH

H O

4

HO

CH2OH 6 O 5 H OH H 3

H

2

H 1

OH

OH

Forma cíclica abreviada

utilizan la glucosa como fuente principal de energía. Otro monosacárido común es la fructosa, un azúcar de seis carbonos producido por casi todas las frutas y por algunas hortalizas (Figura 7.2b). Dos azúcares de cinco carbonos, la ribosa y la desoxirribosa, son, respectivamente, parte de los ácidos nucleicos ARN y ADN. Dos monosacáridos pueden unirse y formar un disacárido. El disacárido más común es la sacarosa (C12H22O11), o azúcar de mesa, que se forma cuando la glucosa se une a la fructosa (Figura 7.3a). Al unir dos unidades de glucosa, se forma la maltosa (Figura 7.3b). Al enlazar diversos monómeros de azúcar, pueden producirse numerosos tipos diferentes de disacáridos. La glucosa y sus derivados se unen entre sí como resultado de una síntesis por deshidratación. Las reacciones de síntesis por deshidratación pueden también unir entre cientos y miles de monosacáridos para formar polímeros denominados polisacáridos, que suelen almacenar energía o proporcionar sostén estructural. Algunos ejemplos de polisacáridos son el almidón y la celulosa. El almidón almacena energía cuando la fotosíntesis produce más glucosa de la que puede ser utilizada de inmediato por el vegetal. El almidón vegetal es la amilosa, mientras que los animales fabrican glucógeno, un polisacárido que almacena energía. Los vegetales almacenan grandes cantidades de almidón en las semillas para utilizarlo durante la germinación, con el fin de proporcionar energía al vegetal en desarrollo. La celulosa, que proporciona sostén estructural en las paredes celulares de las plantas y las algas, posee una estructura similar a la del almidón, en tanto las glucosas de ambos están unidas por el primer carbono de una con el cuarto carbono de otra. La diferencia estructural entre el almidón y la celulosa reside en que, en la celulosa, el resto de glucosas se disponen al revés (Figura 7.4a). Técnicamente, las glucosas del almidón se unen mediante enlaces alfa-alfa (
-
), mientras que las de la celulosa se unen

07_Capítulo

21/11/05

10:30

Página 175

CAPÍTULO 7

H HO

CH2OH O H OH H

CH2OH O

H

H

H O

OH

H OH Glucosa

H

H

HO

CH2OH O H OH H

H

CH2OH

HO

OH H Fructosa

Bioquímica vegetal básica

◆

H

H HO

OH

H OH Glucosa

H

1

2

H

O

OH

OH

Sacarosa

CH2OH O H H OH H HO

H

HO

CH2OH

H

H

(a) La glucosa y la fructosa pueden unirse para formar el disacárido sacarosa o azúcar de mesa.

Figura 7.3.

OH

H2O

CH2OH O

H

H

H OH Glucosa

H2O CH2OH O H H OH H HO

CH2OH O H OH H

175

H 1

O

OH

Maltosa

CH2OH O H H 4 OH H H

H OH

OH

(b) Dos moléculas de glucosa pueden unirse para formar maltosa. Este enlace implica unir el carbono número uno de una glucosa con el carbono número cuatro de otra. Un enlace diferente de ambas glucosas daría lugar a un disacárido diferente.

Síntesis por deshidratación de disacáridos.

Configuración α

CH2OH O H OH H

H 4

HO

H

CH2OH O

H HO

O

O

OH

OH

CH2OH O

CH2OH O

4

1

1

OH

CH2OH O

O

OH

OH

OH OH

(b) Almidón: enlace 1–4 de α-glucosa

H C H

C

OH

HO

C

H

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

OH

CH2OH O O

O

1

HO OH

4

CH2OH O O

O O CH2OH

OH

OH

O OH CH2OH

(c) Celulosa: enlace 1–4 de β-glucosa

H

Figura 7.4. CH2OH Configuración β O OH H H 4 1 OH H HO H H

OH

(a) Estructuras cíclcicas α y β de la glucosa

Almidón y celulosa: dos polisacáridos.

(a) La glucosa puede formar anillos alfa (
) y beta (), que difieren en la posición del grupo hidroxilo (OH), unido al carbono número 1. Esta diferencia distingue a dos de los polímeros de la glucosa: el almidón y la celulosa. (b) El anillo
de la glucosa es el monómero para el almidón, que almacena energía. (c) El anillo  de la glucosa es el monómero para la celulosa, componente principal de las paredes celulares vegetales. El ángulo del enlace provoca que el resto de las glucosas se sitúen «al revés».

07_Capítulo

21/11/05

176

10:30

Página 176

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

bioquímicas del organismo son el objeto de nuestro estudio, no debemos perder de vista su total dependencia de los carbohidratos que se producen en la fotosíntesis.

mediante enlaces beta-beta (-) (Figura 7.4b y c). Las enzimas digestivas de los mamíferos pueden romper los enlaces alfa-alfa, permitiendo así que el almidón sea utilizado como fuente de alimento. Sin embargo, los mamíferos no pueden digerir la celulosa, que posee enlaces -. En realidad, mamíferos como la vaca o el caballo, que «comen» el material de celulosa contenido en la hierba y en la madera, no rompen la celulosa. En contrapartida, los microorganismos que habitan en sus intestinos producen celulasa, una enzima que digiere la celulosa. Los vegetales pueden convertir los azúcares en muchos otros compuestos, además de los disacáridos y polisacáridos. De manera general, los carbonos presentes en toda molécula vegetal, y en toda otra forma de vida, se originan en la fotosíntesis como fosfatos de azúcar de tres carbonos simples. Puesto que las numerosas moléculas y reacciones Grupo amino

N

C

H

Figura 7.5.

O C

H OH

R

Cadena lateral variable (a) Fórmula general de un aminoácido

H H3

N+

Existen 20 aminoácidos que las células utilizan en diversas combinaciones para formar miles de proteínas diferentes. Cada aminoácido posee la misma estructura básica, que consiste en un átomo de carbono central al cual están unidos un grupo amino (NH2), un grupo carboxilo (COOH), un átomo de hidrógeno y una cadena lateral variable conocida como grupo R (Figura 7.5a). Dentro

Grupo carboxilo H

H

Las proteínas, que catalizan las reacciones y funcionan como bloques de construcción estructural, son polímeros de aminoácidos

C

N+

C

H

R

H

C

H3 O

H

N+

–

Glicina (Gli)

O C O–

(b) Forma ionizada de un aminoácido

O

H

H

C

H

O C

H3 O

CH3

–

N+

H

O

C

C

CH2

Alanina (Ala)

Estructura de los aminoácidos.

(a) Este diagrama muestra la estructura general de un aminoácido: un átomo de carbono central unido a un grupo amino (NH2), un grupo carboxilo (COOH), un átomo de hidrógeno y una cadena lateral variable conocida como grupo R. (b) El grupo carboxilo puede liberar un protón (H) y es, por tanto, ácido. El nitrógeno del grupo amino acepta un protón, lo que otorga una carga positiva al grupo amino. Estos cambios dan lugar a una forma ionizada del aminoácido, como se muestra en la figura. La forma ionizada es la estructura normal dentro del pH neutro de una célula. (c) Ejemplos de algunos de los 20 aminoácidos que pueden utilizarse para fabricar proteínas, con la patente variación en los grupos R.

H3 O

–

N+

C

O C O–

CH2

CH2

NH

S H H3

N+

C CH2

O

CH3

C

Triptófano (Trp)

Metionina (Met) O–

CH2 CH2

H

NH C

H3

N+

+

NH2

C

CH2

NH2 Arginina (Arg)

C

H

O H3 O–

N+

C

O C

CH2

OH

SH

Serina (Ser)

Tirosina (Tir)

(c) Algunos ejemplos de aminoácidos

O–

07_Capítulo

21/11/05

10:30

Página 177

CAPÍTULO 7

◆

Bioquímica vegetal básica

177

EL FASCINANTE MUNDO DE LAS PLANTAS Bosques de carbohidratos Los organismos fotosintéticos convierten las moléculas e iones simples en un conjunto de moléculas orgánicas que sirven como bloques de construcción molecular y para proporcionar energía en todos los organismos. Cada átomo de carbono, nitrógeno, fósforo y azufre de nuestro organismo ha sido incorporado químicamente a las moléculas orgánicas por las enzimas de organismos fotosintéticos, como los vegetales. Entre un 30% y un 50% de los genes de vegetales y animales son comunes a ambos. Aun así, los organismos fotosintéticos, como las plantas, difieren claramente de los organismos no fotosintéticos, como los animales. Si estudiamos un animal de gran tamaño, como un humano, y un vegetal de gran tamaño, como un árbol, vemos que entre el 60% y el 70% de su peso es agua. No obstante, en los humanos, el siguiente componente más común son las proteínas, conformando de un 15% a un 20% del peso de una persona, principalmente en forma de músculos. En contrapartida, el segundo componente más abundante en los vegetales es la celulosa, que comprende entre el 20% y el 30% del peso de un vegetal. Cuando caminamos por un bosque, estamos rodeados por enormes cantidades de carbohidratos unidos en la celulosa. En otras palabras, los animales grandes están compuestos fundamentalmente por agua y aminoácidos polimerizados, mientras que los vegetales grandes están formados básicamente por agua y azúcares polimerizados. La circunstancia bioquímica de que los animales de gran tamaño son carnosos, mientras que los vegetales de gran

tamaño son leñosos, nos revela algo sobre el comportamiento respectivo de cada uno de estos organismos. En un sentido general, nos dice que los animales se mueven, en tanto la proteína animal se presenta en forma de músculos, mientras que los vegetales forman tallos permanentes, a menudo leñosos, que sostienen las hojas. Los animales se mueven para reproducirse y para obtener alimentos. Hasta cierto punto, la reproducción vegetal implica movimiento, de tal forma que muchos vegetales han desarrollado mecanismos que recurren a los animales para dispersar las semillas. Con todo, los vegetales permanecen en un lugar y «alcanzan» con las raíces y hojas los recursos alimenticios que necesitan.

del pH neutro de una célula, el aminoácido posee generalmente una forma ionizada, en la que el grupo carboxilo pierde un protón (H+) mediante ionización, mientras que el grupo amino gana un protón (Figura 7.5b). El grupo R es el que distingue cada aminoácido del resto y determina las propiedades del aminoácido en cuestión (Figura 7.5c). Por ejemplo, algunos aminoácidos son solubles en agua, mientras que otros no. Además de los 20 aminoácidos utilizados para fabricar proteínas, existen otros que cuentan con otras funciones, como proporcionar energía y aportar parte de la estructura de hormonas como la auxina. Con todo, los aminoácidos suelen actuar como ladrillos de las proteínas. Algunas de las moléculas más abundantes en la tierra son proteínas, que suponen el 50% o más del peso seco de la mayoría de los organismos vivos. En las células vegetales, las proteínas son el segundo tipo de moléculas más común, después de los carbohidratos, y comprenden entre

un 10% y un 15% del peso seco de una célula normal. A menudo, la mayor concentración de proteínas en los vegetales se localiza en las semillas; en algunas, hasta un 40% del peso seco pueden ser proteínas. La mayoría de proteínas de las células vivas son enzimas, que ayudan a acelerar las reacciones químicas. Como vimos en el Capítulo 2, las proteínas estructurales, como la actina y la tubulina, son partes importantes del citoesqueleto. Las proteínas de reserva proporcionan aminoácidos libres a las semillas germinantes. Los aminoácidos se unen para formar proteínas mediante reacciones de síntesis por deshidratación que comportan enlaces peptídicos, razón por la que un polímero de aminoácidos se denomina polipéptido (Figura 7.6). La mayoría de las proteínas están compuestas por un único polipéptido, pero algunas presentan más de uno. Una proteína puede poseer cientos o incluso miles de aminoácidos. La secuencia de aminoácidos de una

07_Capítulo

21/11/05

178

10:30

Página 178

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

OH Enlace peptídico OH CH2

CH2

H H

N

SH CH2

H C

C

H

O

N

H OH H

C

C

H

O

N

C

C

H

O

OH

H2O

(a) OH

OH

Enlace CH2 peptídico CH2

CH2 H H

N

Cadenas laterales

SH

H C

C

H

O

Extremo amino

N

H C

C

H

O

N

C

C

H

O

OH

Esqueleto

Extremo carboxilo

(b)

Figura 7.6.

Formación de un polipéptido.

(a) Mediante síntesis por deshidratación, los monómeros de aminoácidos se unen en enlaces peptídicos para formar una cadena. (b) Dado que se forman mediante numerosos enlaces peptídicos, las proteínas también se conocen como polipéptidos. En un enlace peptídico, el carbono del grupo carboxilo se une con el nitrógeno del grupo amino del siguiente aminoácido. Los enlaces peptídicos se forman uno cada vez, comenzando por el aminoácido en el extremo amino del polipéptido, hasta que se sintetiza la proteína.

proteína, conocida como estructura primaria (Figura 7.7a), puede ser muy variada porque, teóricamente, cada posición en una proteína puede ocuparla cualquiera de los 20 aminoácidos diferentes. Como resultado de tal diversidad, las proteínas poseen una estructura mucho más variable que la de los polímeros de azúcar, que generalmente están constituidos por una única subunidad que se repite. En la mayoría de las proteínas, los enlaces de hidrógeno se forman entre hidrógenos y oxígenos, y entre hidrógenos y nitrógenos, en el esqueleto de aminoácidos, unidos por enlaces peptídicos, de la proteína. Estas interacciones dan lugar a varios tipos de giros y plegamientos locales conocidos como estructura secundaria (Figura 7.7b). En concreto, suelen formarse hélices alfa (
) y láminas plegadas beta (). Los grupos R interactúan para formar la estructura terciaria, el modelo general tridimensional de plega-

miento de una proteína (Figura 7.7c). Las hélices y láminas plegadas de la estructura secundaria se incorporan a la estructura terciaria, proceso que se estabiliza principalmente mediante interacciones carga-carga y enlaces covalentes fuertes denominados puentes disulfuros, que se forman entre aminoácidos que contienen azufre, como la cisteína. Con frecuencia, las conocidas como proteínas celadoras ayudan a plegar las cadenas proteínicas en su configuración final. Por lo general, la secuencia primaria de aminoácidos en una proteína formará las configuraciones secundaria y terciaria preferidas por su estabilidad energética. El calor puede romper la estructura terciaria de una proteína mediante un proceso denominado desnaturalización, como sucede cuando la clara del huevo se vuelve de color blanco opaco al cocerla. La estructura cuaternaria aparece cuando una proteína contiene más de una cadena de polipéptidos (Figura 7.7d), como en el caso de la enzima vegetal rubisco, que inicia el proceso de conversión del CO2 en azúcar durante la fotosíntesis. Dicha proteína, compuesta por ocho polipéptidos grandes y ocho pequeños, es un complejo proteínico con un peso molecular casi equivalente a 500.000 veces el peso molecular de un átomo de hidrógeno. (El nombre rubisco es realmente una abreviación, cuyo origen veremos más adelante, cuando estudiemos las enzimas en este capítulo.) Los genes de cada organismo suministran las instrucciones para realizar la síntesis de proteínas a partir de aminoácidos (véase el cuadro Biotecnología en la página 180). Un ser humano adulto no puede fabricar ocho de los 20 aminoácidos necesarios para sintetizar las proteínas. Además, un niño no puede fabricar un noveno aminoácido, la histidina (Figura 7.8). Los aminoácidos que el cuerpo humano no puede fabricar se denominan aminoácidos esenciales, porque han de obtenerse en la dieta. Puesto que la mayoría de las proteínas vegetales carecen de uno o más de estos aminoácidos, las dietas vegetarianas deberían supervisarse estrictamente para tener la certeza de que aportan todos los aminoácidos necesarios. Por ejemplo, las civilizaciones latinoamericanas suelen incluir el maíz y las judías o alubias en la dieta. Muchas culturas originarias de Norteamérica suelen alimentarse de judías o alubias, y calabacines. En ambos casos, la dieta combinada proporciona todos los aminoácidos esenciales. Los dietistas recomiendan que una persona media ingiera entre 50 y 100 gramos de proteínas al día, aunque la cantidad puede ser inferior si éstas son de buena calidad. Esto significa que los aminoácidos deben equilibrarse con respecto a las necesidades del ser humano.

07_Capítulo

21/11/05

10:30

Página 179

CAPÍTULO 7

Lis –

◆

Bioquímica vegetal básica

179

(a) La estructura primaria es la secuencia de aminoácidos. La figura recoge parte de la estructura primaria de la rubisco, que incluye unos 4.800 aminoácidos.

Cis Gli – Arg –

Enlaces de hidrógeno

C C

H H H H O O O O C C N C C N C C N C C N C C C C C C N C N C N C N O O O O H H H H

O

Lámina plegada β

O H

H C

H H H O H O O O C C C C C N C N C N C N C N C N C N C N C C C C O O C O O H H H H

H N C C

H N C C

N C C N O

O C H O N C C O H H N C C N

H N C C O

(b) La estructura secundaria es el resultado de enlaces de hidrógeno entre átomos del esqueleto del polipéptido. La rubisco incluye hélices alfa (α) y láminas plegadas beta (β). Los grupos R no aparecen.

O

Hélice α

Subunidades pequeñas Subunidades grandes

(d) La estructura cuaternaria comprende más de una cadena de polipéptidos. La rubisco incluye ocho polipéptidos grandes y ocho pequeños.

(c) La estructura terciaria resulta de las interacciones químicas entre los grupos R, como los puentes disulfuros. La gran subunidad de la rubisco se muestra como un modelo de cinta plana.

Figura 7.7.

Los cuatro niveles en la estructura de una proteína.

La enzima vegetal rubisco es un ejemplo de una proteína con los cuatro niveles estructurales. La rubisco, que inicia la conversión del CO2 en azúcar durante la fotosíntesis, es la enzima más abundante de la Tierra.

Aminoácidos esenciales

Los ácidos nucleicos ADN y ARN, que codifican y expresan la información genética, son polímeros de nucleótidos

Metionina Valina (Histidina) Treonina Fenilalanina Maíz

Leucina Isoleucina Triptófano Lisina

Figura 7.8.

Alubias y otras legumbres

Aminoácidos esenciales.

Los vegetarianos deben comer hortalizas complementarias para asegurarse de que ingieren niveles suficientes de todos los aminoácidos. Por ejemplo, una combinación de maíz y alubias proporciona todos los aminoácidos esenciales necesarios para un adulto.

Los ácidos nucleicos, ADN (ácido desoxirribonucleico) y ARN (ácido ribonucleico), desempeñan un papel esencial en la codificación y expresión de la información genética. El ADN almacena la información hereditaria en el núcleo y en las mitocondrias y cloroplastos. El ARN participa en la decodificación de la información del ADN en las estructuras proteínicas. Los ácidos nucleicos son polímeros compuestos por nucleótidos. Un nucleótido se divide en tres partes: base, azúcar y grupo fosfato (Figura 7.9). Una base es un compuesto que contiene nitrógeno y puede ser una estructura de anillo doble, denominada purina, o de anillo único, denominada pirimidina. Los tipos específicos de purina se conocen como adenina (A) y guanina (G), mientras

07_Capítulo

21/11/05

180

10:31

Página 180

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

B IO T E C NO L O G ÍA Armas contra las malezas lgunos herbicidas comerciales inhiben la síntesis de determinados aminoácidos, y de esta manera matan las malezas. Las malezas o malas hierbas pueden definirse como plantas que crecen sin problemas allí donde los seres humanos no desean que crezcan. Cualquiera que haya atendido alguna vez un jardín comprende esta definición. Las malezas compiten con los cultivos por la luz solar, los fertilizantes y el agua. Retirar mecánicamente las malezas de los campos de cultivo incrementa la producción, pero requiere tiempo y dinero. Para eliminar las malezas, pueden rociarse herbicidas en los campos si no se eliminan los cultivos al mismo tiempo. Por esta razón, las plantas de cultivo resistentes a herbicidas son potencialmente muy valiosas y útiles en la agricultura. Algunos herbicidas específicos cuentan con diferentes mecanismos bioquímicos de acción. Algunos inhiben la fotosíntesis, mientras que otros dificultan la regulación hormonal del crecimiento. Roundup© es el nombre comercial de un herbicida que contiene glifosato. Este compuesto mata las plantas al inhibir la síntesis de los aminoácidos

A

fenilalanina y triptófano. En concreto, el glifosato inhibe la acción de una enzima conocida como EPSP-sintetasa, que las plantas necesitan para fabricar estos aminoácidos. Aunque todavía queda mucho por investigar, las plantas resistentes a herbicidas podrían ser manipulados mediante ingeniería genética para añadirles copias adicionales del gen que codifica para la EPSP-sintetasa. La sobreproducción de la enzima permite que los vegetales puedan sobrevivir aun cuando la acción de la enzima se inhiba parcialmente. Las plantas resistentes a herbicidas también pueden manipularse para que contengan un gen bacteriano que no responda al glifosato, haciendo posible que el vegetal fabrique aminoácidos en presencia de este herbicida. Todavía se está experimentando con estos vegetales; no obstante, los científicos manejan la hipótesis de que cualquier residuo de Roundup© en cultivos resistentes al glifosato no sería nocivo para los humanos, puesto que el cuerpo humano no sintetiza fenilalanina ni triptófano, que empero se adquieren a través de la dieta.

Un cultivo resistente a herbicidas en un campo infestado de malezas, antes y después de la aplicación del herbicida.

que en las pirimidinas encontramos timina (T), citosina (C) y uracilo (U). El azúcar presente en los nucleótidos es ribosa (ARN) o desoxirribosa (ADN). Un grupo fosfato consiste en un átomo de fósforo que se une mediante enlaces covalentes a cuatro átomos de oxígeno. Aunque los nucleótidos pueden aparecer en otras partes de la célula, suelen encontrarse en el ADN y el ARN, así como de forma modificada en el ATP, que los organismos vivos utilizan como fuente de energía. Todos los nucleótidos del ADN contienen el azúcar desoxirribosa y difieren únicamente en sus bases. Cada nucleótido de ADN incluye una de las siguientes cuatro bases: adenina, timina, citosina o guanina. La estructura

del ADN es una doble hélice en la que dos hebras de nucleótidos se entrelazan y se unen entre sí mediante enlaces de hidrógeno entre las bases (Figura 7.10). La guanina siempre se une a la citosina mediante tres enlaces de hidrógeno, y la adenina siempre se une a la timina mediante dos enlaces de hidrógeno. De este modo la secuencia de base de una hebra puede predecirse a partir de la secuencia conocida de la otra hebra. Los nucleótidos de cada hebra individual se unen mediante enlaces covalentes entre el azúcar y el fosfato de nucleótidos adyacentes. El ARN se distingue del ADN por varias razones. En primer lugar, los nucleótidos de ARN contienen el azúcar

07_Capítulo

21/11/05

10:31

Página 181

CAPÍTULO 7

Base nitrogenada (C, T, A o G)

Base nitrogenada (C, U, A o G)

O P

181

Bioquímica vegetal básica

Nucleótido de ARN

Nucleótido de ADN

–O

◆

O O

CH2

O– H

Grupo fosfato

–O

O

H

H

P

O

CH2

O– H

OH H

H

H

Grupo fosfato

O H

H

OH OH Azúcar (ribosa)

Azúcar (desoxirribosa) (a) Nucleótidos

Pirimidinas NH2 N

C

Purinas

O CH

C

HN

O C

CH3

HN

C

NH2 N

C

C

C

O

HC C O

C

CH N H

CH N H

O

Citosina (C)

Timina (T) (en el ADN)

C O

CH N H

Uracilo (U) (en el ARN)

N

N

C

C

NH

HC N H

C

CH N

Adenina (A)

N H

C

C N

NH2

Guanina (G)

(b) Bases nitrogenadas

Figura 7.9.

Nucleótidos.

El ADN y el ARN se componen de monómeros denominados nucleótidos. (a) Cada nucleótido consta de una base nitrogenada, un azúcar y un grupo fosfato. (b) Las bases nitrogenadas pueden ser estructuras de anillo único, denominadas pirimidinas, o de anillo doble, denominadas purinas. En el ADN las bases son adenina (A), guanina (G), timina (T) y citosina (C). En el ARN, el uracilo reemplaza a la timina, y la ribosa es el azúcar en lugar de la desoxirribosa.

ribosa en lugar de desoxirribosa. En segundo lugar, uno de los cuatro nucleótidos del ARN posee uracilo como base en lugar de timina. Por último, el ARN sólo tiene una hebra en vez de dos, aunque la única hebra a veces dibuja giros y se enlaza consigo misma.

Los lípidos son componentes de la membrana, constituidos fundamentalmente por átomos de carbono e hidrógeno derivados de acetatos y de otras moléculas La cuarta categoría principal de macromoléculas comprende los lípidos, un grupo de moléculas compuestas principalmente por átomos de carbono y de hidrógeno.

A diferencia de los carbohidratos, proteínas y ácidos nucleicos, los lípidos no son polímeros simples. Por el contrario, son moléculas diferentes agrupadas en una misma categoría porque son, por lo general, hidrófobas (que tienen fobia al agua), lo que significa que no son solubles. Muchos lípidos son grandes moléculas formadas mediante síntesis por deshidratación y constan, fundamentalmente, de dos fragmentos modificados de acetato de dos carbonos unidos. Los lípidos más comunes son las grasas, fosfolípidos y esteroides. Las grasas contienen glicerol, una molécula de tres carbonos derivada de azúcares, y cadenas de ácidos grasos, formadas a partir de acetato (Figura 7.11a). Los ácidos grasos son largas cadenas de carbonos e hidrógenos uni-

07_Capítulo

21/11/05

182

10:31

Página 182

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

Esqueleto azúcar-fosfato

C

Fosfato A C

T T

T

G A Dos enlaces de hidrógeno

C

T

Nucleótido

Tres enlaces de hidrógeno

A C

Par de bases

G A

Base A

T G

C

C G

G A

Azúcar T

G C

T A

Esqueleto azúcar-fosfato Hebra de polinucleótidos

Doble hélice de ADN

dos al glicerol mediante síntesis por deshidratación (Figura 7.11b). Los ácidos grasos y las grasas pueden ser saturados o insaturados (Figura 7.11c). En los ácidos grasos saturados, todos los carbonos se conectan mediante enlaces covalentes simples. En los ácidos grasos insaturados, se producen uno o más enlaces dobles entre los carbonos de una cadena. Normalmente, las grasas animales son saturadas. Las grasas saturadas son sólidas a temperatura ambiente, como la mantequilla o la grasa del beicon. Las grasas vegetales suelen ser insaturadas, líquidas a temperatura ambiente, como el aceite de oliva o de maíz. Los aceites se pueden convertir en grasas saturadas añadiéndoles hidrógeno, un proceso conocido como hidrogenación. Son ejemplos de aceites vegetales hidrogenados la margarina y la mantequilla de cacahuete. Muchas semillas almacenan grasas o aceites insaturados, que proporcionan nutrientes a las semillas germinantes. Las dietas ricas en grasas saturadas incrementan los depósitos o placas de grasa en el interior de los vasos sanguíneos, lo que provoca una disminución del flujo sanguíneo, menor elasticidad vascular y enfermedades car-

Figura 7.10.

Estructura del ADN.

La estructura del ADN consiste en dos hebras de polinucleótidos que se retuercen entre sí para formar una doble hélice. Las dos hebras se unen mediante enlaces de hidrógeno entre los pares de bases, donde la adenina se empareja con la timina y la citosina se empareja con la guanina. Por el contrario, el ARN es una única hebra de nucleótidos unida sólo mediante enlaces azúcarfosfato, que forman el esqueleto de la molécula. Las bases de los nucleótidos no suelen estar emparejadas, lo cual sí se produce en la estructura del ADN.

diovasculares. Las grasas insaturadas no tienen este efecto, pero los científicos no saben a ciencia cierta las razones. Una hipótesis sostiene que las grasas insaturadas no causan enfermedades coronarias porque su consistencia sigue siendo aceitosa y no sólida a la temperatura corporal, lo que hace menos probable que aparezcan depósitos o placas. Las grasas animales, además de ser saturadas, poseen mayores niveles de colesterol que las grasas vegetales sólidas. Los científicos continúan investigando los efectos de las grasas vegetales hidrogenadas. Al igual que las grasas, los fosfolípidos contienen glicerol, pero presentan sólo dos ácidos grasos en lugar de tres. También poseen una molécula de fosfato unida al tercer carbono del glicerol (Figura 7.12). Esta «cabeza» de fosfato es soluble o hidrófila («amante del agua»), mientras que las «colas» de ácidos grasos son hidrófobas. Los fosfolípidos son los principales constituyentes de muchas membranas, con las cabezas hidrófilas orientadas hacia el exterior de la mismas, donde pueden absorber agua (Figura 7.13). Los esteroides son estructuralmente diferentes a otros lípidos y consisten en cuatro anillos de carbonos inter-

07_Capítulo

21/11/05

10:31

Página 183

CAPÍTULO 7

Acetil-CoA

(a) Los ácidos grasos están formados por grupos acetilos, que contienen dos carbonos y que se unen en una larga cadena. Cada grupo acetilo procede de un precursor acetil-CoA. H H

C

OH HO

+

C

C

OH

H

C

OH

S

O

H

C

C

Grupo acetilo

H

H CoA

H

H

H

C

C

H

Los grupos acetilos se unen para formar ácidos grasos.

H

H

C

C

H

S

H

H

C

C H

H

CoA

H

H

O

183

Bioquímica vegetal básica

◆

C

H

H

H

H C H

H C H

H

H

C

C

H

H

H C H

H C H

H C H

Ácido graso saturado (Ácido esteárico)

H C

H

H

Ácido graso H

Síntesis por deshidratación

HO C

H

H2O

Glicerol

C

H

C

C

H

O

H

H

H

C

C

H

H

H

H

H

C

C

C

H

H

C

C

H

H

H

H

C

H

H

H

H C H

H C H

H C H

H C H

H

H

C

C

H

H

H

+ otros 2 ácidos grasos

H H

C

O O

C

H C H

O H

C

O

C

H C H

O H

C

O

C

H

H C H

H C H H C H H C H

H C H H C H H C H

H C H H C H H C H

H C H H C H H C H

H C H H C H H C H

H C H H C H H C H

H C H H C H H C H

H C H H C H H C H

H C H H C H H C H

H C H H C H H C H

H C H H C H H C H

H C H H C H H C H

H C H H C H H C H

Ácido graso insaturado (Ácido oleico) H C

H

H

Enlace doble

H C

H H

H

HO C O

H C

H

H

(b) Molécula de grasa. Tres ácidos grasos se unen al glicerol para formar grasas.

Figura 7.11.

H C H

H H C

C

C

H

H

H

H H C C H

H

H C H

H

H

C

C

H

H

C

C

H

H

H

H

C

C

H

H

H

H

C

C

H

H

H

H

C

C

H

H

H

(c) Grasas saturadas e insaturadas y ácidos grasos. Las grasas saturadas animales carecen de enlaces dobles, mientras que las grasas insaturadas vegetales presentan uno o más enlaces dobles.

Estructura básica de los lípidos.

conectados, a los que se unen varios grupos laterales más pequeños. No cabe duda de que habremos oído hablar del esteroide colesterol, frecuente en las células animales, pero no un componente importante de las células vegetales, pues los vegetales son sólo una fuente mínima de colesterol en nuestras dietas. En los vegetales, los esteroides son la base estructural de los brasinoesteroides, un tipo de hormona vegetal recientemente descubierta e implicada en la división y elongación celulares, como veremos en el Capítulo 11. Las hormonas vegetales del crecimiento, denominadas giberelinas, están relacionadas estructuralmente con los esteroides. Los esteroides también sirven para estabilizar la estructura de las membranas vegetales.

Los metabolitos secundarios, como los fenoles, alcaloides y terpenoides, suelen servir para proteger o fortalecer los vegetales A diferencia de los carbohidratos, proteínas, ácidos nucleicos y lípidos, los metabolitos secundarios no son esenciales para el crecimiento y desarrollo básicos del vegetal, pero desempeñan un papel importante en la supervivencia de numerosos vegetales, especialmente al proporcionarles protección contra la actuación de herbívoros y contra las enfermedades. Existen tres categorías principales de metabolitos secundarios: fenoles, alcaloides y terpenoides.

07_Capítulo

21/11/05

184

10:31

Página 184

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

Cabeza hidrófila

Colas hidrófobas Fórmula estructural

O– R

O P O CH2 O

O

HC O C O

Ácidos grasos

Glicerol

Fosfato

Grupo variable

H2C O C

Modelo de llenado de espacio

cen de nitrógeno en su estructura. En su mayoría, los fenoles fortalecen los vegetales o los protegen de diversas amenazas. En numerosos casos, se han vuelto lo suficientemente necesarios como para que los vegetales lleguen a producirlos en grandes cantidades. Aproximadamente el 40% del carbono que circula por la Biosfera lo hace en forma de compuestos fenólicos, que se encuentran con frecuencia en las paredes celulares y vacuolas de las células que los producen. Los principales tipos de fenoles son las ligninas, los flavonoides y los compuestos alelopáticos. ◆

Cabeza hidrófila Colas hidrófobas

Símbolo del fosfolípido

Figura 7.12.

Fosfolípidos.

Los fosfolípidos poseen dos «colas» de ácidos grasos unidas al glicerol. El tercer enlace del glicerol se une a una «cabeza» de fosfato soluble en agua (hidrófila). Las pequeñas moléculas variables se unen entonces al fosfato.

◆

Bicapa de fosfolípidos

Agua

Figura 7.13.

Bicapas de fosfolípidos.

Los fosfolípidos son los principales componentes moleculares de las membranas celulares, con las «cabezas» cargadas de fosfatos orientadas hacia fuera, donde pueden atraer el agua. ◆

Los fenoles, formados fundamentalmente por los aminoácidos fenilalanina y tirosina, son un grupo de hidrocarbonos con numerosos y diferentes anillos, que care-

Las ligninas son moléculas fenólicas complejas que fortalecen las paredes celulares y repelen los herbívoros (Figura 7.14a). Los árboles no podrían crecer en altura sin la presencia de ligninas en sus paredes celulares. Las ligninas son la segunda molécula orgánica específica más común después de la celulosa, pues constituyen el 30% del tejido vegetal. Su presencia en las paredes celulares ha sido descrita como «incrustante». En algunas células de las plantas leñosas, cuando comienza la síntesis de lignina, las células ya han iniciado las fases finales de muerte celular programada para convertirse en traqueidas o elementos del vaso. De hecho, la palabra lignina se deriva de lignum, el término latino para madera. Los flavonoides engloban miles de moléculas solubles en agua y son típicos de las frutas y hortalizas. Algunos disuaden a los herbívoros y previenen la descomposición bacteriana, como en el caso de los compuestos ácidos de color marrón conocidos como taninos, que pueden utilizarse para preservar las pieles. Muchos flavonoides, como el licopeno de los tomates y las procianidinas de las manzanas, uvas y fresas, se utilizan en medicina como agentes antivirales y para contribuir al control y a la prevención del cáncer y de enfermedades cardiovasculares. También poseen otras funciones, como potenciadores del sabor o aromáticos, como en la pimienta negra, el clavo, el jengibre, la vainilla, la canela y el sirope de arce. Los flavonoides conocidos como antocianinas originan los colores rojo, azul y morado de algunas flores, que atraen a los insectos polinizadores y a otros organismos (Figura 7.14b). Los compuestos alelopáticos están formados por fenoles secretados por las raíces del vegetal o lixiviados de las hojas por la lluvia o la niebla. Inhiben a los vegetales vecinos y, en consecuencia, disminuyen la competencia por la luz y los minerales.

07_Capítulo

21/11/05

10:31

Página 185

CAPÍTULO 7

OH O+

HO

HC

OCH3

HC

OH

O

OH Cianidina

OH CH3O

OCH3 H2COH

O H2C

CH

HC

CH

HC O

O

CH2

HC

CH HCOH

CH3O H2COH

CH H2COH HC

OCH3

–O

O

H 2C

Bioquímica vegetal básica

Figura 7.14.

HO H2COH

◆

185

Fenoles.

Los fenoles vegetales, derivados del aminoácido fenilalanina, proporcionan sostén estructural y pueden atraer o repeler a los insectos. (a) Las ligninas son moléculas que fortalecen las paredes celulares y repelen a los herbívoros y a los hongos. La compleja estructura, en forma de red de la lignina, impregna y cubre las paredes celulares para hacer que la madera sea dura y resistente. (b) Los flavonoides cuentan con diversas funciones, incluida la de repeler a los herbívoros y, como en el caso de la cianidina, atraer a los polinizadores.

OCH3 O

(a) Parte de la compleja estructura de la lignina.

(b) La cianidina, un flavonoide responsable del color de las rosas y otras flores.

sus efectos neurológicos y en la división celular. La cafeína, heroína, quinina, nicotina, vinblastina, efedrina y cocaína son alcaloides. Los terpenoides, también conocidos como terpenos, protegen a los vegetales de herbívoros y de enfermedades (Figura 7.15a). Tres acetatos se combinan para formar una subunidad de isopreno de cinco carbonos, más una molécula de dióxido de carbono. Las subunidades de isopreno se ligan entonces entre sí para constituir las distintas clases de terpenoides, que pueden comprender 10, 15, 20, 30 o (en el caso del látex) miles de carbonos. Entre los

Los alcaloides, formados por algunos aminoácidos, tienen como función primaria proteger a los vegetales contra los herbívoros. Son compuestos en forma de anillos, de los cuales al menos uno contiene nitrógeno. Poseen una estructura muy variable, compuesta fundamentalmente por los aminoácidos triptófano, tirosina, fenilalanina, lisina y arginina. Existen más de 12.000 tipos de alcaloides conocidos, producidos por el 20% de las plantas con flores. Disuaden a los insectos herbívoros y suelen afectar al sistema neurológico de los animales. Numerosos alcaloides son muy útiles en medicina por H

3 CoA

S

O

H

C

C

H

HO

H

C

C

H

H Acetil-CoA

H

H

H

C

C

H H

+

CO2

3 CoA

SH

CH3 C

H H3C

Subunidades de isopreno de 5 carbonos

Terpenoides con 5, 10, 15, 20, 30 o más carbonos (a)

Figura 7.15.

+

C

H3C

C

CH3

O OH

(b) Ácido abiético

Terpenoides o terpenos.

(a) Los vegetales producen terpenoides, también conocidos como terpenos, al unir subunidades de isopreno de cinco carbonos. Las subunidades de isopreno forman tres acetatos mediante una serie de reacciones. Los acetatos inician la reacción ligados a una gran molécula denominada coenzima A (coA). Por cada unión de tres acetatos, se pierde un dióxido de carbono. Los terpenoides suelen repeler los insectos. (b) Un terpenoide común es el ácido abiético, una resina de las Coníferas que sella las heridas y que se fosiliza como ámbar.

07_Capítulo

21/11/05

186

10:31

Página 186

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

terpenoides encontramos el pelitre (un insecticida aislado por primera vez a partir de una especie de crisantemo); numerosos aceites esenciales como el mentol; las resinas adhesivas producidas por los pinos y otros árboles afines (Figura 7.15b) y el látex. Los terpenoides ahuyentan a los insectos, aves, mamíferos y otros herbívoros gracias a su sabor amargo, su toxicidad o su pegajosidad. Físicamente, las resinas y el látex pegajosos y venenosos bloquean las heridas de los vegetales, previniendo de esta manera las infecciones. La gran cantidad de terpenoides producidos por los vegetales es la causante de una parte substancial de la neblina azul que se observa sobre las montañas, colinas y campos cuando el clima es cálido. Su función no está muy clara, pero puede que representen una especie de protección interna del vegetal contra temperaturas elevadas.

Repaso de la sección 1. Nombra y define las tres categorías de carbohidratos. Describe la diferencia estructural entre el almidón y la celulosa. 2. Nombra y describe los cuatro niveles de estructura proteínica. 3. ¿Cómo el ADN y el ARN difieren en su estructura? 4. ¿Cuál es la diferencia estructural entre una grasa y un fosfolípido? 5. ¿Cómo protegen y fortalecen los metabolitos secundarios a las plantas?

Energía y reacciones químicas La energía es la capacidad de realizar un trabajo. La energía en sí es invisible, pero podemos observar sus efectos en la materia. La energía mueve la materia, cambia su forEnergía cinética transformada en energía potencial

ma y provoca reacciones químicas, como en el movimiento de los cromosomas en la mitosis o en el crecimiento de la raíz a través del suelo. Esta sección nos proporcionará una visión general de la labor de la energía en las reacciones químicas.

La energía puede almacenarse y puede mover o cambiar la materia La energía existe de dos formas generales: como energía potencial y como energía cinética. La energía potencial es energía almacenada. Por ejemplo, una batería cargada contiene energía potencial. La energía cinética es la energía exhibida mediante el movimiento, por ejemplo, cuando una pila impulsa un juguete. Cualquiera de ambas energías puede transformarse en la otra, pero nunca se pierde (Figura 7.16). Un «snowboarder» en lo alto de una colina posee energía potencial que se transforma en cinética cuando realiza el descenso. La energía cinética es necesaria entonces para volver a la cima de la montaña, momento en el que se restablece un estado de elevada energía potencial. En los ejemplos del juguete y del «snowboarder», la energía cinética aparece como calor o como movimiento, los cuales pueden interactuar de diversas maneras con la materia del entorno. La transformación de energía, conocida como Termodinámica, se rige por dos leyes básicas. De acuerdo con la Primera Ley de la Termodinámica, la energía puede aprovecharse y transformarse, pero no puede crearse ni destruirse. Según la Segunda Ley de la Termodinámica, cada transformación de energía aumenta el desorden de materia en el Universo. Como se refleja en los ejemplos del juguete impulsado por la pila y el «snowboarder», existen diferentes fuentes de energía. Por ejemplo, la energía eléctrica de una batería es una fuente de energía potencial. En esta sección estudiaremos, grosso modo, cómo

Figura 7.16.

Energía potencial elevada Energía potencial transformada en energía cinética

Energía potencial baja

Energía cinética y potencial.

A medida que el «snowboarder» desciende por la ladera, la energía potencial se transforma en energía cinética, liberada en forma de movimiento y en forma de calor. A medida que el «snowboarder» vuelve a subir a la cima de la montaña, la energía cinética proporcionada por el telesilla se transforma en energía potencial.

07_Capítulo

21/11/05

10:31

Página 187

CAPÍTULO 7

Las reacciones químicas implican una entrada o salida neta de energía libre

Energía potencial de las moléculas

Las reacciones químicas se pueden clasificar según experimenten una salida neta o entrada neta de energía libre, que es la cantidad de energía disponible para realizar un trabajo. Si una reacción química emite energía libre hacia el exterior, se dice que es una reacción exergónica («energía hacia fuera») (Figura 7.17a). En las reacciones exergónicas, la energía potencial de los productos es menor a la de los reactivos, puesto que se ha producido una salida neta de energía libre. Si una reacción química precisa una entrada neta de energía libre, se dice que es una reacción

Reactivos

Cantidad de salida de energía libre Productos

Progreso de la reacción (a) Reacción exergónica (salida neta de energía libre)

Figura 7.17.

Bioquímica vegetal básica

187

endergónica («energía hacia dentro») (Figura 7.17b). En las reacciones endergónicas, la energía potencial de los productos es mayor que la de los reactivos, puesto que se ha producido una entrada neta de energía libre. Cualquier reacción química, ya sea exergónica o endergónica, requiere una entrada inicial de energía, conocida como energía de activación, antes de producirse. En las reacciones químicas, se deben tener en cuenta dos tipos diferentes de energía: la energía que se expresa como calor y la energía necesaria para mantener el orden. Si una reacción libera energía en forma de calor, el cambio en el calor es negativo. Es decir, el sistema de la reacción pierde calor que emite al medio que la rodea. Si una reacción toma energía en forma de calor, el cambio en el calor es positivo. En otras palabras, el sistema reactivo gana calor del entorno. El grado de desorden en un fragmento de materia se conoce como entropía. Un grado mayor de desorden significa una entropía mayor. Por ejemplo, la entropía de un tronco en descomposición es mayor que la de un árbol vivo. Los organismos vivos gastan gran cantidad de energía para mantener un sistema molecular muy ordenado con baja entropía. Para la mayoría de los organismos, incluidos los vegetales y animales, la energía para mantener este orden procede en última instancia del sol a través de la fotosíntesis, un proceso que en conjunto es considerablemente endergónico. Cuando los organismos mueren, la entropía de sus componentes moleculares aumenta acentuadamente de manera instantánea a medida que se descomponen.

Energía potencial de las moléculas

producen y utilizan las células vegetales otro tipo de energía potencial denominada energía química. La energía potencial almacenada en la materia puede medirse en calorías (cal) o, más frecuentemente, en kilocalorías (Cal o Kcal = 1.000 cal). En ocasiones, las calorías con c minúscula se denominan calorías pequeñas, y las calorías con C mayúscula se denominan calorías grandes. Una caloría pequeña representa la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un centímetro cúbico de agua en un grado Celsius (centígrado). Cuando hablamos de las calorías en los alimentos, por ejemplo, una chocolatina de 300 calorías, nos referimos a calorías grandes o kilocalorías. La energía contenida en los alimentos y en las moléculas se determina quemándolas literalmente en un aparatos denominado calorímetro, y midiendo la cantidad de calor que generan.

◆

Productos

Cantidad de entrada de energía libre Reactivos

Progreso de la reacción

(b) Reacción endergónica (entrada neta de energía libre)

Reacciones exergónicas y endergónicas.

(a) En una reacción exergónica («energía hacia fuera»), se produce una salida neta de energía libre, pues la energía potencial de los productos es menor que la de los reactivos. (b) En una reacción endergónica («energía hacia dentro»), se produce una entrada neta de energía libre, pues la energía potencial de los productos es mayor que la de los reactivos.

07_Capítulo

21/11/05

188

10:31

Página 188

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

Las reacciones redox liberan energía como resultado del movimiento de electrones entre átomos o moléculas Los enlaces químicos de las moléculas que unen átomos contienen energía potencial. Cuando los enlaces químicos se rompen o se forman mediante reacciones, la enerOxidación (pérdida de un electrón) Xe–

+

Y

X

Ye–

+

Reducción (ganancia de un electrón) (a) Ésta es la ecuación general de una reacción redox para las sustancias X e Y, donde se refleja la pérdida de un electrón en la sustancia X y la ganancia de un electrón en la sustancia Y. Oxidación (pérdida de un electrón) Na

+

Na+

Cl

Cl–

+

Reducción (ganancia de un electrón) (b) En este ejemplo, el sodio (Na) se oxida, mientras que el cloro (Cl) se reduce. El Na es el donante de electrones, también conocido como agente reductor, y el Cl es el receptor de electrones, también llamado agente oxidante. Oxidación (pérdida de un electrón y de un protón) XeH + Y

X

YeH

+

gía puede liberarse o absorberse. La oxidación implica una pérdida total o parcial de uno o más electrones, mientras que la reducción implica una ganancia total o parcial de uno o más electrones (se denomina reducción porque la cantidad de carga positiva se reduce) (Figura 7.18). En los organismos vivos, la oxidación y la reducción se emparejan en reacciones de oxidación-reducción, conocidas como reacciones redox. En una reacción redox, un átomo o molécula pierde electrones (oxidación), que se añaden a otro átomo o molécula (reducción), o se alejan del núcleo de un átomo (oxidación parcial), y se acercan al núcleo de otro (reducción parcial). El movimiento de uno o varios electrones de un átomo o molécula hacia otro u otra libera energía. Esta situación podría compararse con un meteorito que, al ser atraído hacia la Tierra por la fuerza de la gravedad, libera energía. Las reacciones redox liberan energía cuando los electrones se acercan a determinados núcleos. Tal movimiento de electrones se produce cuando los electrones de un enlace covalente se mueven hacia uno de los átomos del enlace, a la vez que se alejan de otro. Por ejemplo, un átomo de carbono se une a otro, como en el caso de los azúcares. Un enlace carbono-carbono es simétrico porque los electrones que lo forman se suelen situar equidistantes a cada átomo. Si los mismos carbonos se unen a oxígenos, como en el caso del CO2, los electrones generalmente pasan más tiempo cerca del oxígeno. En este caso, los enlaces son asimétricos y se libera energía. Para comprender por qué la conversión de un enlace simétrico en un asimétrico libera energía, utilicemos la analogía de un satélite en órbita que después cae hacia la

Reducción (ganancia de un electrón) (c) En ocasiones, se atrae un protón (H+), y se neutraliza la carga negativa causada por el electrón extra. Reactivos

Productos

Oxidación +

CH4

2 O2

CO2

H H

C

+

energía +

2 H2O

Reducción H

H Metano

Figura 7.18.

O

O

Oxígeno

O

C

O

Dióxido de carbono

H

O

Agua

H

(d) La oxidación puede implicar tanto la pérdida de un electrón como su alejamiento del núcleo. Algunos átomos atraen electrones con más fuerza que otros. En este ejemplo, los átomos de hidrógeno y carbono comparten de forma más o menos equitativa los electrones en los enlaces carbono-hidrógeno del metano (CH4). En una molécula de oxígeno (O2), los dos átomos de oxígeno comparten equitativamente los electrones. No obstante, en el caso de las moléculas de dióxido de carbono (CO2) y del agua (H2O), los átomos de oxígeno son electrófilos (amantes de los electrones) y, por tanto, atraen más fuertemente los electrones que los átomos de hidrógeno o carbono. En consecuencia, el oxígeno se reduce parcialmente, mientras que el carbono y el hidrógeno se oxidan parcialmente.

Oxidación y reducción.

La oxidación implica una pérdida de electrones, mientras que la reducción implica una ganancia. Las reacciones de oxidación y reducción se producen al mismo tiempo en lo que se conoce como reacciones redox. Cada pérdida de electrones de un átomo o molécula debe estar combinada con una ganancia de electrones por parte de otro átomo o molécula.

07_Capítulo

21/11/05

10:31

Página 189

CAPÍTULO 7

Como vimos en el Capítulo 2, la principal fuente de energía en una célula es el ATP (adenosín trifosfato). El ATP consta de tres partes: adenina (base), ribosa (azúcar) y tres fosfatos (Figura 7.19). En el Capítulo 9 veremos cómo se sintetiza el ATP. En este apartado nos centraremos en la liberación de energía mediante la ruptura del ATP. Los dos enlaces covalentes entre fosfatos en el ATP unen oxígeno y fósforo. Al romper estos enlaces, se libera la energía que se utilizó para realizarlos. Por ejemplo, cuando se elimina el fosfato terminal, el ATP se convierte

Grupos fosfatos P

P

NH2

Adenina N O

P

CH2

O

H

Ribosa

N

H N

H

N

H H

H OH OH

Adenosín trifosfato (ATP)

Energía potencial de las moléculas

El enlace del grupo fosfato terminal del ATP libera energía cuando se rompe

Bioquímica vegetal básica

189

en ADP (adenosín difosfato) más Pi (fosfato inorgánico), y se libera energía. La cantidad real de energía liberada depende de la concentración de reactivos y productos, así como de la de otros iones. Con frecuencia, el ATP proporciona energía de activación a las reacciones endergónicas y exergónicas. Para que se produzca una reacción endergónica en una célula, se debe emparejar con una reacción exergónica, un proceso conocido como acoplamiento energético (Figura 7.20).

NH2

Glu Glu

+

NH3

Glutamina

Ácido Amoníaco glutámico

Progreso de la reacción Reacción endergónica (requiere una entrada de energía libre)

Glu

Energía potencial de las moléculas

Tierra. Existe una liberación cinética de energía en forma de calor y de luz, y quizás en forma de fuerza física si los pedazos impactan contra el suelo. Cuanto más cerca esté el satélite de la Tierra, más energía libera. De igual forma, los electrones describen órbitas, en cierto sentido, alrededor de los núcleos. Los protones cargados positivamente de determinados núcleos atraen los electrones cargados negativamente, lo que se traduce en una liberación de energía a medida que éstos se acercan al núcleo. En los próximos dos capítulos, veremos cómo las reacciones redox participan en los procesos de la fotosíntesis y la respiración.

◆

+

NH3

P

Ácido Amoníaco glutámico + ATP

NH2 Glu + NH3 + ADP

Glu + P i Glutamina + ADP

1 2

Progreso de la reacción

NH2

Hidrólisis N Energía + P

i

+ P

P

O

CH2 H

Reacciones pareadas: proceso exergónico general

N

Figura 7.20.

H O

N H

N

H

H

H OH OH

Adenosín difosfato (ADP) El ATP (adenosín trifosfato) consta de tres partes: adenina (base nitrogenada), ribosa (azúcar) y tres fosfatos. El ATP puede romperse en ADP y un grupo fosfato, liberando energía.

Figura 7.19.

Estructura y ruptura del ATP.

Acoplamiento energético.

Para que se produzca una reacción endergónica en una célula, dicha reacción debe aparearse con una reacción exergónica, un proceso conocido como acoplamiento energético. La conversión de ácido glutámico en glutamina es endergónica, como se observa en el gráfico superior. Si el cambio de ácido glutámico a glutamina se empareja con la ruptura exergónica de ATP en ADP, el proceso total es exergónico (gráfico inferior). La reacción se produce en dos etapas. (1) En primer lugar, la ruptura de ATP añade un grupo fosfato al ácido glutámico. Al añadirle un enlace de fosfato rico en energía, el ácido glutámico se satura. (2) El amoníaco sustituye al grupo fosfato, y se libera energía durante la formación de la glutamina.

07_Capítulo

21/11/05

190

10:31

Página 190

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

ca dentro de la otra y utilizamos energía para empujar hasta que las dos partes de la hebilla se cierran con un clic. Cuando soltamos la hebilla con nuestros dedos, ambas partes se separan, liberando energía. En el caso de las moléculas, el ADP y el Pi son las dos partes de la hebilla. Es necesario aportar energía para unirlas, venciendo la repulsión de los electrones que rodean cada molécula, hasta que encajan mediante enlaces covalentes. Cuando el ATP se rompe en ADP más Pi, se libera la energía.

En otras palabras, la energía producida por una reacción exergónica se utiliza para impulsar la reacción endergónica. El ATP suele participar en las reacciones convirtiéndose en ADP más Pi y añadiendo luego el fosfato a un reactivo de la reacción endergónica. La transferencia de un fosfato a otra molécula se conoce como fosforilación. La eliminación de un fosfato del reactivo endergónico libera energía, la cual impulsa la reacción endergónica. El ATP impulsa tres tipos de trabajo en las células: químico, de transporte y mecánico. El trabajo químico implica el suministro de energía de activación para las reacciones y para impulsar las reacciones endergónicas. El trabajo de transporte mueve las moléculas a través de las membranas. El trabajo mecánico implica el movimiento de células y de partes de las mismas. La ruptura del ATP libera energía por diversas razones. Primeramente, la energía se libera porque el fosfato eliminado del ATP o ADP puede asumir un número de estructuras diferentes, de las que, no disponía en su totalidad antes de la hidrólisis. En otras palabras, la entropía aumenta. Además, la energía se libera cuando el ADP y el fosfato se repelen entre sí, pues ambos están rodeados de cargas negativas. Por último, se libera energía porque en los enlaces fosfato-oxígeno-fosfato, el fosfato y el oxígeno comparten electrones de forma equitativa, mientras que en los enlaces fosfato-oxígeno-hidrógeno, los electrones del hidrógeno se desplazan hacia el fosfato. Para comprender cómo la formación del ATP almacena energía que se libera en la ruptura del mismo, establezcamos una relación ejemplificada con las hebillas plásticas de una mochila. En este caso, insertamos una pieza plástiNAD+ (oxidado) H O

Un gran número de importantes reacciones en las células necesitan tanto electrones energizados como energía para proseguir. NADH, NADPH y FADH2 son portadores de electrones que proporcionan ambos elementos. El NADH se forma mediante la adición de 2 electrones y 1 protón (H+) al NAD+ (Figura 7.21). El NADPH se forma al añadir 2 electrones y 1 protón al NADP+. El FADH2 se forma al añadir dos electrones y 2 protones al FAD. El NADH, NADPH y FADH2 proporcionan electrones ricos en energía a las reacciones enzimáticas por toda la célula. Por ejemplo, en la ruptura de la glucosa en las células, se liberan electrones antes de que la síntesis de ATP utilice la energía. El NADH, NADPH y FADH2 transportan estos electrones a los sitios donde se fabrica ATP. En este sentido, la energía de la glucosa se almacena finalmente en el ATP. Este proceso se estudiará con más detalle en los Capítulos 8 y 9. NADH (reducido)

NH2 + 2 e– + H+

C

En los organismos vivos, NADH, NADPH Y FADH2 son los transportadores universales de electrones ricos en energía

H O

H

Reducción

C

NH2

Oxidación N

N+ CH2

O O

P

O

P O

O

O

O–

O H

O O–

H HO

CH2

OH

CH2

O

P O

N

H

H HO

O–

N

NH2 N N

H O

H

H OH

Figura 7.21.

N

H

O

HO

OH

CH2

N

H

O

O–

O NH2

N

P

H

H HO

OH

N

H

NADH.

Las células utilizan compuestos como el NADH para transportar electrones ricos en energía, que se donan a las reacciones enzimáticas que los necesitan. El NAD se combina con 2 electrones y 1 protón (H) para formar el NADH. El NADP se combina de manera similar para producir el NADPH.

07_Capítulo

21/11/05

10:31

Página 191

CAPÍTULO 7

Repaso de la sección 1. ¿Cuál es la diferencia entre energía cinética y energía potencial? 2. ¿Cuáles son la Primera Ley y la Segunda Ley de la Termodinámica? 3. ¿Por qué es necesario que se produzcan tanto reacciones exergónicas como endergónicas en las células vivas? 4. ¿Qué diferencia hay entre oxidación y reducción? 5. Describe los tres tipos de trabajo que el ATP impulsa en las células.

Reacciones químicas y enzimas

◆

Bioquímica vegetal básica

191

organismos vivos. En primer lugar, las elevadas temperaturas dañan las complejas moléculas orgánicas. En segundo lugar, mientras que posiblemente los vegetales podrían producir suficiente calor para incrementar el ritmo de las reacciones de manera sustancial, semejante producción requeriría un gasto de energía metabólica considerable. La forma o configuración de los electrones de las moléculas hace que determinadas colisiones sean más probables que otras (Figura 7.22a). La rapidez de la colisión es también un factor, pues cuanto más rápido se mueven las moléculas, más colisiones se producen. No obstante, si las moléculas están correctamente orientadas, su rapidez puede ser significativamente menor y puede todavía producirse con éxito una reacción (Figura 7.22b). Es aquí donde las enzimas entran en juego.

Las células vivas son fábricas bioquímicas que producen las moléculas y estructuras mayores que otorgan forma a la célula y le permiten funcionar. Continuaremos nuestro estudio de la Bioquímica vegetal al observar las enzimas que facilitan las reacciones químicas en las células vivas.

La teoría de la colisión explica la formación de productos mediante reacciones en gases o líquidos Las numerosas y diferentes moléculas que conforman una célula viva participan en múltiples reacciones químicas, que tienen como fin cubrir las necesidades estructurales y fisiológicas de la célula. De este modo, la comprensión de cómo se producen estas reacciones nos proporciona un conocimiento básico del funcionamiento de las células vivas. Pongamos como ejemplo una típica reacción química: AB → C. En los gases y líquidos, la teoría de la colisión describe acertadamente las interacciones y reacciones de las moléculas, como A y B. Las moléculas poseen masa, m, y se mueven con una velocidad, v. La velocidad de las moléculas y su energía cinética aumentan con la temperatura. A medida que las moléculas A y B se mueven con mayor rapidez, sus interacciones cada vez más energéticas aumentan la probabilidad de las interacciones que provocarán la formación de enlaces covalentes resultantes en el producto C. Con las temperaturas habituales, muchas reacciones bioquímicas necesarias en las células vivas se producen demasiado lentamente como para mantener un metabolismo normal. El calor incrementa el ritmo de las reacciones descritas por la teoría de la colisión. Aunque puede resultar provechoso en un laboratorio de química, el calor no es una vía útil para el incremento del ritmo de las reacciones en los

(a) En una solución o en un gas, las moléculas se mueven aleatoriamente. Algunas colisiones puden dar lugar a una reacción entre moléculas, mientras que otras no.

Posición correcta de los reactivos

Posición incorrecta (no óptima) de los reactivos

(b) Los reactivos deben ubicarse correctamente para que se produzca una reacción. Si los reactivos se ubican correctamente, la energía necesaria para que se produzca una reacción es mínima. Elevar la temperatura aumenta el ritmo de reacciones, pues se incrementan la frecuencia y la intensidad de las colisiones.

Figura 7.22.

Teoría de la colisión.

07_Capítulo

21/11/05

192

10:31

Página 192

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

Las enzimas ubican los reactivos, permitiendo que se produzcan reacciones con una energía de activación o un incremento de temperatura mínimos

E  S → Complejo ES → E  P Una de las funciones importantes de las enzimas en las células vivas es la de proveer sitios de unión, de manera que las reacciones endergónicas y exergónicas puedan emparejarse. Las enzimas trabajan notablemente rápido, a

Energía libre

La enzima es la «Celestina» de la Química. Recordemos a Calixto y a Melibea, que se enamoraron al encontrarse en el marco oportuno: el huerto. La figura de la Celestina actuó para facilitar el proceso de unir a las dos personas bajo unas condiciones propicias. De igual manera, los participantes de una reacción química, conocidos como reactivos, pueden encontrarse de la manera oportuna para producir una reacción química. La enzima facilita el proceso al unir a los reactivos bajo las condiciones adecuadas para que se produzca una reacción. En términos químicos, decimos que las enzimas disminuyen la energía de activación de los reactivos (Figura 7.23a). Cuando dos reactivos se acercan, los electrones del reactivo A y los del reactivo B comienzan a repelerse. La energía de activación es la cantidad de energía necesaria para superar esta tendencia inicial de los reactivos a repelerse entre sí. Al ubicar correctamente los reactivos, las enzimas reducen la energía de activación necesaria con el propósito de iniciar la reacción. La reacción en sí misma puede implicar la ruptura o formación de enlaces. Una enzima es un catalizador, una sustancia que incrementa el ritmo de una reacción química sin verse afectada por ella (Figura 7.23b). Un reactivo estimulado por una enzima es el substrato de la misma. La estructura terciaria de cada enzima presenta proyecciones, crestas, surcos y cavidades. Esta forma proporciona un sitio de enlace, conocido como sitio activo, para el enlace del substrato (S) y la enzima (E), que da lugar a un complejo enzima-substrato (ES). El producto o productos (P) se forman mediante reacción química y luego se separan de la enzima. Por ejemplo, la enzima sacarasa rompe el substrato sacarosa en los productos glucosa y fructosa. Cada sitio de unión ubica un substrato de forma que puedan romperse o formarse enlaces covalentes, convirtiendo así el substrato en productos. Una vez los productos se separan de la enzima, ésta es libre para participar de nuevo en la reacción. El curso de una reacción catalizada por una enzima puede resumirse de la siguiente manera:

Energía de activación con enzima

Energía de activación sin enzima

Reactivos Cambio en la energía libre

Productos Progreso de la reacción (a) Al ubicar correctamente los reactivos, las enzimas disminuyen la energía de activación, haciendo posible que las reacciones se produzcan sin depender principalmente del calor o rapidez del movimiento molecular. Enzima (sacarasa)

Sitio activo

Substrato (sacarosa)

Glucosa

Fructosa 4

1 La enzima y el substrato están disponibles

2 El substrato se une a la enzima

Se liberan los productos

Complejo enzimasubstrato 3 El substrato se convierte en productos + H2O

(b) Los reactivos parecen pequeñas piezas de un puzle, mientras que las enzimas parecen grandes piezas. Este diagrama muestra cómo la enzima sacarasa rompe la sacarosa en glucosa y fructosa mediante hidrólisis. El substrato y la enzima se unen para formar un complejo enzima-substrato que se rompe en las dos moléculas producto: glucosa y fructosa. La enzima es entonces libre para unirse a otro substrato, y el proceso se repite.

Figura 7.23.

Las enzimas proveen sitios de unión para los reactivos.

menudo llevando a cabo miles o incluso millones de reacciones en pocos segundos. Cada molécula de substrato puede unirse al sitio activo en un milisegundo o menos, antes de que el producto deba irse y haya entrado la nueva

07_Capítulo

21/11/05

10:31

Página 193

CAPÍTULO 7

molécula de substrato. Puesto que las enzimas, substratos y productos poseen dimensiones microscópicas, las distancias en las que se desplazan son de unos pocos nanómetros. Además, el citoesqueleto suele depositar moléculas, mediante las vesículas de transporte, en lugares donde las enzimas actuarán sobre ellas. Un tipo concreto de enzima puede procesar entre miles y miles de millones de moléculas durante el tiempo de «vida» de una sola célula. El enlace de un substrato y una enzima es un fenómeno complejo, que puede producirse de varias maneras. No sólo se trata de que la forma del substrato encaje en el sitio de unión de la enzima, sino que además varios tipos de enlaces han de estabilizar la interacción. Estos enlaces comprenden enlaces covalentes, iónicos e interacciones hidrófobas. Su función es la de facilitar la unión en el sitio activo, y pueden también iniciar el flujo de electrones en la dirección requerida para que se produzca la reacción. En ocasiones, la enzima y el substrato o substratos encajan como las piezas de un puzle (Figura 7.24a). La unión de un substrato o substratos puede también variar la forma de una enzima, generalmente de forma superficial, potenciando así la unión y el ritmo de la consiguiente reacción química. La unión que altera la forma del sitio activo se denomina ajuste inducido (Figura 7.24b). Por ejemplo, después de que la enzima hexokinasa cambia su forma tras la unión de una glucosa, un fosfato puede también unirse para formar glucosa-fosfato, el producto. Los nombres de las enzimas, que generalmente terminan en -asa, suelen estar relacionados con la función de la enzima. Al principio del capítulo vimos la estructura de la enzima vegetal rubisco. Dicho nombre es una abreviación de ribulosa-1, 5-bisfosfato carboxilasa/ oxigenasa. El nombre completo refleja el hecho de que la rubisco puede añadir dióxido de carbono u oxígeno a un compuesto. Una enzima que cataliza una reducción es una reductasa, y una enzima que sintetiza un compuesto es una sintasa. Por ejemplo, la enzima que fabrica ATP a partir del ADP y del fosfato inorgánico se conoce como ATP sintasa.

Los cofactores, como las coenzimas, interaccionan con las enzimas para ayudar a que se produzcan las reacciones Algunas moléculas pequeñas no proteínicas, conocidas como cofactores, se unen a las enzimas o substratos y ayudan en las reacciones, al proporcionar energía, suministrar electrones o protones, o facilitar la reacción de cualquier otro modo. Los cofactores pueden ser iones minerales inorgánicos, como el magnesio (Mg++) y el calcio

◆

Bioquímica vegetal básica

193

Substrato

Substrato Sitio activo

Sitio activo

Enzima

Estado de transición

Productos

(a) Modelo llave y cerradura

Figura 7.24.

Productos

(b) Modelo de ajuste inducido

Dos modelos de interacción enzima-substrato.

(a) El modelo llave y cerradura muestra substratos unidos con enzimas como piezas de un puzle. (b) En ocasiones, en el modelo de ajuste inducido, las enzimas y sus substratos pueden modificar su forma durante la unión.

(Ca++), o componentes orgánicos como las vitaminas. Los cofactores que son compuestos orgánicos no proteínicos se conocen como coenzimas. Algunos cofactores se unen temporalmente a una enzima o substrato, mientras que otros lo hacen de forma permanente. Además, algunos pueden utilizarse repetidamente en reacciones catalizadas por enzimas, pero otros deben volver a sintetizarse parcialmente antes de reaccionar otra vez, como en el caso del ATP. Un gran número de las pequeñas moléculas que asociamos con los organismos vivos actúan como cofactores. Son ejemplos las hormonas; vitaminas; iones cargados positivamente (cationes); iones cargados negativamente (aniones); ATP; transportadores de electrones ricos en energía, como el NADH y NADPH, y muchas moléculas comunes, como los azúcares, aminoácidos, ácidos nucleicos y acetato. La unión de dichas moléculas con enzimas

07_Capítulo

21/11/05

194

10:31

Página 194

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

o reactivos facilita el flujo de electrones necesario para completar la reacción o, incluso, para proveer los electrones o la energía necesarios en la reacción (véase el cuadro Las plantas y las personas en la página siguiente).

La inhibición competitiva o no competitiva puede ralentizar o detener las reacciones y rutas enzimáticas Los inhibidores competitivos se acoplan al sitio activo de tal manera que bloquean la unión del substrato, e impiden que se produzca la reacción catalizada (Figura 7.25a). Entre el substrato y las moléculas inhibidoras surge una competencia, por lo que la inhibición competitiva a menudo puede vencerse con un incremento de la concentración del substrato. Los inhibidores no competitivos (Figura 7.25b) se unen a la enzima en un lugar distinto al sitio activo o se acoplan a éste de forma permanente. Con frecuencia, modifican la forma de la enzima y así el substrato no puede volver a unirse a ella de manera efectiva o,

de hecho, de ninguna manera. El incremento de la concentración de substrato no es suficiente para enfrentarse al efecto de un inhibidor no competitivo. El inhibidor del producto final (retroinhibición) (Figura 7.25c) surge cuando el producto de una serie de reacciones enzimáticas inhibe una de las enzimas responsables de la formación del producto. Mediante este mecanismo, los organismos se aseguran de que no se dé un exceso de productos. La inhibición del producto final puede ser competitiva o no competitiva, pero en la mayoría de los casos es competitiva.

Las reacciones enzimáticas están interconectadas mediante rutas metabólicas Las reacciones catalizadas por enzimas, que son entre 25.000 y 50.000, se interconectan mediante diversas rutas metabólicas. Por ejemplo, como veremos en los Capítulos 8 y 9, las reacciones de la fotosíntesis y la respiración se agrupan en reacciones conjuntas que dan lugar a determinados

Substrato

Inhibidor competitivo

Sitio activo Enzima

Inhibidor no competitivo

(a) Los inhibidores competitivos compiten con el substrato y bloquean el sitio activo de la enzima. Con un incremento de la concentración de substrato, éste puede superar la competitividad del inhibidor y todavía puede producirse la reacción. Substrato inicial

Enzima B

Producto intermedio 1

(b) Los inhibidores no competitivos son los inhibidores más efectivos. Se acoplan a otro sitio que no es el sitio activo. Al unirse de esta manera, cambian la forma de la enzima, de manera que la reacción es menos susceptible de producirse, o puede que, de hecho, no se produzca reacción. Enzima C

Producto intermedio 2

(c) La retroinhibición se produce cuando el producto final de una serie de reacciones inhibe la enzima al principio de las mismas, evitando de esta forma el exceso de producto final. Producto final

Enzima A

Bucle de retroinhibición (El producto final es el inhibidor de la enzima A)

Figura 7.25.

Inhibidores enzimáticos.

07_Capítulo

21/11/05

10:31

Página 195

CAPÍTULO 7

LAS

PLA NTA S

Y

L A S

◆

Bioquímica vegetal básica

195

P E R SO NA S

No olvides tomar tus cofactores cada día os humanos necesitan, al menos, 13 vitaminas esenciales y, quizás, hasta 60 minerales. Estas vitaminas, y minerales suelen actuar como cofactores al ayudar en las reacciones enzimáticas. Los vegetales producen estas vitaminas y toman los minerales del suelo. Los humanos los obtienen, directa o indirectamente, de los vegetales o de suplementos nutricionales como los comprimidos de vitaminas o minerales. Los suplementos minerales proceden del suelo, en ocasiones del agua del mar o de otros organismos, como en el caso del calcio que se extrae de las conchas. Las vitaminas proceden de otros organismos vivos, como las bacterias o los vegetales, o son producidas sintéticamente. Puesto que las enzimas utilizan estos compuestos una y otra vez, éstos son necesarios en pequeñas cantidades. Con todo, su presencia es fundamental. Una deficiencia de vitaminas y minerales esenciales puede tener resultados devastadores (véase la tabla inferior). En el pasado, muchos marineros fallecían de escorbuto, a consecuencia de una deficiencia de vitamina C. Una vez identificada la causa del mismo, los barcos británicos cargaban suplementos de zumo de lima para los marineros. Este zumo resultó útil, porque aportaba vitamina C y no se estropeaba sin refrigeración. Tendemos a creer que tales deficiencias son básicamente de interés histórico. No obstante, los suelos de cultivo en Estados Unidos y en todo el mundo se han visto en ocasiones mermados de minerales escasos porque la mayoría de los programas de fertilización no los reemplazan. En consecuencia, los humanos modernos también experimentan algún riesgo de desarrollar deficiencias minerales. La deficiencia de selenio, habitual en los suelos y, por consiguiente, en las dietas, se asocia con un creciente

L

riesgo de determinados tipos de cáncer. Algunos estudios del Instituto Nacional del Cáncer de Estados Unidos (US National Cancer Institute) revelaron que el aumento de selenio en la dieta de personas con deficiencia de este mineral producía una disminución muy significativa de los niveles de cáncer de estómago, de pulmón, colorrectal y de próstata, pero no en el nivel de cáncer de piel. Mientras que algunos suelos en el mundo presentan una deficiencia de selenio que provoca problemas de salud en los humanos, otros suelos que poseen un exceso de selenio pueden dar lugar a un envenenamiento. La deficiencia de cobre en los suelos puede dar lugar a un corazón débil y, como resultado de la ruptura de la aorta, a la muerte. El cobre es un cofactor necesario para algunas enzimas importantes implicadas en la síntesis del colágeno y otras moléculas que fortalecen las paredes de venas y arterias. La relación entre una dieta pobre en cobre y un aumento de las muertes a causa de aneurismas aórticas fue confirmada por veterinarios en animales hace bastantes años, cuando no se aportaba el nivel adecuado de cobre en los alimentos para animales. Ya que algunos animales, como las aves de corral, se alimentan únicamente de piensos elaborados, deben aportarse suplementos con las cantidades adecuadas de vitaminas y minerales esenciales. Los vegetales necesitan un número de oligominerales, pero fabrican sus propias vitaminas. Los humanos necesitan algunos minerales que los vegetales no necesitan. A medida que los suelos de cultivos se vean más mermados de minerales esenciales, las enfermedades por deficiencias de minerales se conocerán y se estudiarán mejor, y los suplementos minerales se convertirán en una parte fundamental de la dieta humana.

Algunas deficiencias vitamínicas en el ser humano

l

Deficiencia

Síntomas/ Enfermedad

Tratamiento preventivo y suplementos vitamínicos

Vitamina A

La xeroftalmia es la causa principal de ceguera infantil en la mayoría de países en desarrollo. Es más frecuente en el sur y este de Asia, donde el arroz refinado, desprovisto de caroteno, es el alimento básico El escorbuto se caracteriza por manifestaciones hemorrágicas y malformaciones óseas y dentales. Era una afección típica entre los marineros que hacían largos viajes por el mar La osteomalacia es la enfermedad del adulto deficiente en vitamina D, y se caracteriza por un ablandamiento óseo, que da lugar a deformaciones. El raquitismo es la manifestación infantil, que deriva en una malformación ósea y en la consiguiente deformación Incapacidad de la sangre para coagular; hemorragias mortales

Dieta rica en verduras y frutas amarillas

Vitamina C

Vitamina D

Vitamina K

Dieta rica en frutas y hortalizas frescas

Baños de sol dentro de los niveles convenientes o dieta de alimentos ricos en vitamina D, como la leche

Dieta rica en fruta y hortalizas frescas

(continúa)

07_Capítulo

21/11/05

196

10:31

Página 196

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

Algunas deficiencias vitamínicas en el ser humano (continuación) Deficiencia

Síntomas/ Enfermedad

Tratamiento preventivo y suplementos vitamínicos

Vitamina B12 (Cobalamina) Vitamina B1 (Tiamina) Nicotinamida

La anemia perniciosa es una enfermedad mortal que afecta a los ancianos, originada por un nivel bajo de hematíes El beriberi es una enfermedad potencialmente mortal que puede derivar en problemas neurológicos e insuficiencia cardiaca La pelagra es una enfermedad caracterizada por problemas cutáneos, diarrea, y deterioro mental

Como cura específica, consumo de hígado crudo en grandes cantidades; consumo de carnes en general Evitar el arroz refinado (arroz sin pericarpo, testa y embrión) como elemento principal de la dieta La nicotinamida se crea a partir del aminoácido triptófano. Las dietas ricas en maíz suelen causar deficiencias de este nutriente.

productos. Los grupos de reacciones enzimáticas pueden ser lineales o circulares, y pueden asimismo tener ramificaciones por los que determinados compuestos pueden incorporarse a la ruta o abandonarla. Las reacciones lineales pueden generar productos que sirven como retroinhibidores, y las rutas circulares siempre regeneran el compuesto inicial.

Repaso de la sección 1. Explica cómo las enzimas facilitan las reacciones. 2. Describe la función de los cofactores. 3. ¿Qué es un inhibidor competitivo y un inhibidor no competitivo?

RESUMEN Componentes moleculares de un organismo vivo La mayoría de moléculas de gran tamaño son polímeros, moléculas largas formadas por subunidades repetitivas denominadas monómeros. Los monómeros se unen a los polímeros mediante síntesis por deshidratación. La hidrólisis separa los monómeros de los polímeros. Los carbohidratos, proteínas, ácidos nucleicos y lípidos son metabolitos primarios que se encuentran en todas las células vegetales. Los metabolitos secundarios no se encuentran en todas las células vegetales.

Los ácidos nucleicos ADN y ARN, que codifican y expresan la información genética, son polímeros de nucleótidos (págs. 179-181) Los nucleótidos, compuestos por bases, azúcar y fosfatos, funcionan como bloques de construcción para el ADN y ARN, como hormonas y como fuentes de energía. El ADN consiste en dos hebras de nucleótidos. La molécula de ATP, que contiene energía, es un nucleótido modificado.

Los carbohidratos, que proporcionan y almacenan energía, y funcionan como bloques de construcción estructural, contienen azúcares y polímeros de azúcar (págs. 173-176) Los carbohidratos comprenden los monosacáridos, disacáridos y polímeros. Los azúcares se unen mediante síntesis por deshidratación. Algunos carbohidratos importantes en los vegetales son el almidón, utilizado para la reserva de energía, y la celulosa, componente principal de las paredes celulares vegetales.

Los lípidos son componentes de la membrana, constituidos fundamentalmente por átomos de carbono e hidrógeno derivados de acetatos y de otras moléculas (págs. 181-183) Los lípidos comprenden las grasas, fosfolípidos, esteroides y terpenoides. Las grasas están formadas por cadenas de ácidos grasos que se derivan de acetato y se unen al glicerol. Los fosfolípidos contienen glicerol, dos cadenas de ácidos grasos y una molécula de fosfato. Son los principales componentes moleculares de las membranas. Los esteroides son compuestos con muchos anillos presentes en las membranas, que pueden actuar como hormonas vegetales.

Las proteínas, que catalizan las reacciones y funcionan como ladrillos estructurales, son polímeros de aminoácidos (págs. 176-179) Los aminoácidos poseen la misma estructura básica, con un grupo R variable. En los organismos vivos, existen 20 tipos de aminoácidos que se unen mediante enlaces peptídicos para formar proteínas.

Los metabolitos secundarios, como los fenoles, alcaloides y terpenoides, suelen servir para proteger o fortalecer los vegetales (págs. 183-186) Los tipos fundamentales de fenoles son las ligninas, los flavonoides y los compuestos alelopáticos. Los alcaloides, formados a partir de aminoácidos, y los terpenoides, constituidos por subunidades de isopreno, suelen repeler a los herbívoros.

07_Capítulo

21/11/05

10:31

Página 197

CAPÍTULO 7

Energía y reacciones químicas La energía puede almacenarse y puede mover o cambiar la materia (págs. 186-187) La energía potencial es energía almacenada, mientras que la energía cinética es energía relacionada con el movimiento. La Primera Ley de la Termodinámica sostiene que la energía puede aprovecharse o transformarse, pero no puede crearse ni destruirse. La Segunda Ley de la Termodinámica sostiene que toda transferencia de energía aumenta la entropía (desorden) de la materia en el Universo. Las reacciones químicas implican una entrada o salida neta de energía libre (pág. 187) Las reacciones exergónicas producen una salida neta de energía, mientras que las endergónicas producen una entrada neta. Ambas precisan una energía de activación. En las reacciones químicas, la energía puede expresarse en forma de calor o de entropía, la medida del desorden en la materia. Las reacciones redox liberan energía como resultado del movimiento de electrones entre átomos o moléculas (págs. 188-189) En las reacciones químicas, la oxidación y la reducción se emparejan en reacciones redox, de manera que un componente molecular se oxida, mientras que el otro se reduce. El enlace del grupo fosfato terminal del ATP libera energía cuando se rompe (págs. 189-190) El ATP es utilizado universalmente por los organismos vivos para proporcionar energía a las reacciones. Los enlaces covalentes que unen fosfatos en el ATP necesitan una cantidad considerable de energía para formarse. El ATP provee energía de activación para las reacciones endergónica y exergónica, necesarias en las células vivas. En los organismos vivos, NADH, NADPH Y FADH2 son los transportadores universales de electrones ricos en energía (pág. 190) NADH, NADPH y FADH2 son moléculas que transportan los electrones ricos en energía, y los donan a las reacciones catalizadas por enzimas, que precisan energía y electrones.

Reacciones químicas y enzimas La teoría de la colisión explica la formación de productos mediante reacciones en gases o líquidos (pág. 191) De acuerdo con la teoría de la colisión, las moléculas que pueden interactuar para formar enlaces covalentes lo hacen si pueden colisionar con la suficiente energía. La velocidad y energía de las colisiones aumenta con el incremento de la temperatura. En los organismos vivos, muchas reacciones necesarias se producirían de forma muy lenta con las temperaturas existentes.

◆

Bioquímica vegetal básica

197

Las enzimas ubican los reactivos, permitiendo que se produzcan reacciones con una energía de activación o un incremento de temperatura mínimos (págs. 192-193) Los reactivos y las enzimas forman un complejo enzima-substrato, que se rompe en la enzima y los productos. Los cofactores interactúan con las enzimas, alterando las reacciones que éstas catalizan. La inhibición competitiva y la no competitiva pueden detener la acción enzimática al bloquear o alterar la forma tridimensional del sitio activo. Los cofactores, como las coenzimas, interaccionan con las enzimas para ayudar a que se produzcan las reacciones (págs. 193-194) Algunos cofactores comunes son las vitaminas, las hormonas, los iones y el ATP. Las coenzimas son cofactores orgánicos. La inhibición competitiva o no competitiva puede ralentizar o detener las reacciones y rutas enzimáticas (pág. 194) Tanto la inhibición competitiva como la no competitiva pueden ralentizar o detener la acción enzimática al bloquear el sitio activo o alterar su forma. Las reacciones enzimáticas están interconectadas mediante rutas metabólicas (págs. 194-196) Las rutas enzimáticas pueden ser lineales o circulares, y pueden asimismo presentar ramificaciones donde determinados compuestos se incorporan a la ruta o la abandonan.

Cuestiones de repaso 1. Describe la estructura general de los carbohidratos. 2. Describe las diferencias estructurales entre el almidón y la celulosa. 3. Describe los cuatro niveles de la estructura proteínica. 4. ¿Qué diferencia hay entre metabolitos primarios y secundarios? ¿Cuáles son algunas de las funciones de los metabolitos secundarios? 5. ¿Por qué es importante la estructura terciaria de una enzima en relación con las reacciones catalizadas por ésta? 6. ¿Qué diferencia hay entre energía cinética y energía potencial? 7. ¿En qué se diferencian las reacciones endergónicas y las exergónicas? 8. ¿Qué son las reacciones redox? 9. ¿Cuál es la fuente de ATP, y cómo proporciona éste la energía? 10. ¿Por qué son importantes los transportadores de electrones, como el NADH, en las reacciones químicas? 11. ¿Por qué las enzimas son esenciales para el metabolismo celular? 12. Explica el funcionamiento de las enzimas. 13. ¿Qué son los cofactores, y por qué las personas los ingieren en forma de comprimidos? 14. Describe cómo puede la inhibición ralentizar o detener la acción enzimática.

07_Capítulo

21/11/05

198

10:31

Página 198

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

Cuestiones para reflexionar y debatir 1. ¿Cómo podrían los ingenieros genéticos producir vegetales con las cantidades adecuadas de todos los aminoácidos esenciales? 2. ¿Por qué crees que la entropía del Universo está aumentando gradualmente? 3. Si no se necesitara energía de activación para que se produjera una reacción, ¿qué efecto tendría esto en las células? 4. Los científicos opinan que el movimiento, el sistema nervioso, el cerebro y la capacidad de aprendizaje se desarrollaron porque los animales se desplazan para conseguir los alimentos. ¿Cuál podría ser la naturaleza y características de un vegetal que se pudiera mover como un animal? 5. Utiliza el símbolo del fosfolípido expuesto en este capítulo para dibujar diagramas que muestren cómo la presencia de una mezcla de fosfolípidos, algunos con ácidos grasos saturados y otros con ácidos grasos insaturados, evita la compactación de los fosfolípidos, que se produce en las membranas que sólo contienen fosfolípidos con ácidos grasos saturados. (Recuerda que es esta ausencia de compactación la que hace que las grasas vegetales, que contienen una proporción significativa de ácidos grasos insaturados, sean líquidas a temperatura ambiente, mientras que las grasas animales, que contienen principalmente ácidos grasos saturados que pueden compactarse sólidamente, son sólidas a esta temperatura.)

Conexión evolutiva En términos bioquímicos, una diferencia importante entre los animales y los vegetales es que los vegetales producen un mayor

abanico de metabolitos secundarios que los animales. Algunas clases de estos metabolitos se han incluido en este capítulo. Sugiere razones por las que esta capacidad biosintética posee un valor adaptativo para los vegetales, mientras que, aparentemente, para los animales no.

Para saber más Gilbert, F. Hiram, ed. Basic Concepts in Biochemistry: A Student’s Survival Guide. New York: McGraw-Hill Professional, 1999. Este libro pone de relieve el dominio de conceptos fundamentales a través de un lenguaje simple, no jergal, y mediante el uso de algoritmos, reglas mnemotécnicas y ejemplos clínicos. Buchanan, B. Bob, Wilhelm Gruissem y L. Russell Jones. Biochemistry and Molecular Biology of Plants. New York: John Wiley & Sons, 2002. Este libro es actual, bastante técnico y lo tiene todo. Edelson, Edward. Francis Crick & James Watson and the Building Blocks of Life (Oxford Portraits in Science). New York: Oxford University Press, 2000. Esta intrigante biografía de Watson y Crack explora la estructura del ADN, la molécula que porta nuestros genes y lo determina todo, desde el color de nuestros ojos hasta la forma de nuestras uñas. Watson, D. James, y Lawrence Bragg. The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA. New York: Touchstone Books, 1991. Este libro recoge tanto los aspectos científicos como los personales del descubrimiento. Watson, D. James. Genes, Girls, and Gamow: After the Double Helix. New York: Alfred A. Knopf, 2002. La historia del descubrimiento de la doble hélice continúa.

08_Capítulo

21/11/05

11:49

Página 199

8 Fotosíntesis

La fotosíntesis emplea energía luminosa para producir moléculas orgánicas.

Introducción a la fotosíntesis La fotosíntesis produce alimentos, bloques de construcción moleculares y O2, sustentando así la práctica totalidad de la vida sobre la Tierra La fotosíntesis utiliza energía luminosa para convertir CO2 y H2O en azúcares Los procesos de fotosíntesis y respiración son interdependientes

La energía luminosa promueve la fotosíntesis en zonas denominadas fotosistemas Las reacciones luminosas producen O2, ATP y NADPH En las reacciones luminosas, el ATP se sintetiza utilizando energía de la ósmosis química

La conversión del CO2 La conversión de energía solar en azúcares se produce a través en energía química se produce del ciclo de Calvin mediante reacciones luminosas El ciclo de Calvin utiliza el ATP y NADPH La clorofila es la molécula principal para la absorción de luz durante la fotosíntesis

de las reacciones luminosas para obtener fosfatos de azúcar a partir de CO2

El ciclo de Calvin es relativamente ineficaz en la conversión de CO2 en azúcares La enzima rubisco funciona también como una oxigenasa, lo cual da lugar a la fotorrespiración La ruta C4 limita la pérdida de carbono provocada por la fotorrespiración Las plantas CAM almacenan CO2 en un ácido C4 durante la noche para utilizarlo durante el día en el ciclo de Calvin

08_Capítulo

21/11/05

200

11:49

Página 200

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

a caña de azúcar es una planta perenne, tropical, que puede alcanzar hasta 5 metros de altura. Durante milenios se ha cultivado en los continentes asiático y americano como fuente de azúcar. Ya en el año 510 a. C., el rey persa Darío I reparó en esta planta, que crecía en las riberas del río Indo. Más tarde, Alejandro el Grande (356-332 a. C.) se llevó consigo caña de azúcar de la India a Grecia. Los persas y los griegos se sorprendieron al encontrar un vegetal que producía una sustancia endulzante sin tener que recurrir a las abejas para que fabricaran miel. Los chinos también llevaban milenios extrayendo el azúcar de la caña de azúcar antes de que Marco Polo encontrara grandes fábricas de azúcar en China durante su visita en el siglo XIII. Las expediciones europeas en América durante los siglos XVI y XVII introdujeron a muchos europeos en el uso del azúcar procedente de la caña de azúcar. Cristóbal Colón se trajo consigo la planta desde el Caribe al tiempo que estableció una plantación de caña de azúcar en el lugar. El azúcar se convirtió en un sustituto, tremendamente popular y caro, de la miel, además de un signo inequívoco de opulencia. Por desgracia, la esclavitud en América sufrió un impulso económico debido a la necesidad de trabajadores para las plantaciones de caña de azúcar en América Central, el Caribe y las colonias británicas del sur de Norteamérica, que más tarde se convertirían en los Estados Unidos. Una insaciable ansia por el azúcar convirtió a Europa en el primer mercado de consumo de este producto. Durante los siglos XVII y XVIII, el azúcar fue un elemento clave en el llamado comercio triangular, que exportaba azúcar y ron (fabricado a partir de la caña de azúcar) a Europa; herramientas, armas, y otros bienes

L

Recogida de caña de azúcar en Saint Kitts, en el Caribe.

La remolacha azucarera es una fuente primaria del azúcar procesado.

comerciales de Europa a África; y, en última instancia, más de 11 millones de africanos esclavizados a América. Es trágico pensar que la dulzura del azúcar desempeñó un amargo papel en el cambio del curso de la historia y en las vidas de muchos africanos esclavizados. Con el tiempo, una fuente de azúcar más económica dio al traste con el mercado de la caña de azúcar. En 1744, un químico alemán llamado Andreas Margraff descubrió azúcar en el jugo de determinados tipos de remolacha (Beta vulgaris). Mediante selección más bien aleatoria, los cultivadores produjeron la remolacha azucarera, con una concentración de azúcar muy elevada. La producción de remolacha azucarera en la Europa continental aumentó lentamente en la siguiente mitad de siglo. Allá por 1802, se construyó la primera fábrica de extracción de azúcar de remolacha. En aquellos tiempos, la producción de azúcar a partir de remolacha azucarera en algunos países europeos influyó en la mengua del mercado de caña de azúcar, más cara, traída por mar desde América, y medió en la desaparición de la esclavitud en este continente. La importancia del azúcar en la historia humana nos recuerda el papel trascendental que desempeñan los vegetales al suministrarnos los alimentos. Como sabemos, los humanos y otros animales dependen en última instancia de la fotosíntesis para obtener todos los alimentos. El azúcar en particular es un producto directo resultante de la fotosíntesis y sirve como fuente de energía y de moléculas orgánicas para todos los organismos vivos. Por tanto, es de vital importancia comprender la fotosíntesis y proteger los vegetales y organismos que la llevan a cabo.

08_Capítulo

21/11/05

11:49

Página 201

CAPÍTULO 8

◆

Fotosíntesis

201

Introducción a la fotosíntesis La fotosíntesis fabrica todas las moléculas orgánicas básicas que un vegetal necesita para sobrevivir, prosperar y reproducirse. De manera general, los organismos fotosintéticos posibilitan la existencia de los organismos no fotosintéticos.

La fotosíntesis produce alimentos, bloques de construcción moleculares y O2, sustentando así la práctica totalidad de la vida sobre la Tierra Nos guste o no, nuestros ingredientes moleculares son muy similares a los del brócoli o a los de las lombrices de tierra. Todos los organismos utilizan moléculas con base de carbono como bloques de construcción para la unión y el mantenimiento de su estructura. En la mayoría de los casos, la fotosíntesis es la fuente primordial de estas moléculas. Por supuesto, las plantas, las algas y las bacterias fotosintéticas dependen de la fotosíntesis de manera directa, y se les dice autótrofos, porque fabrican su propio alimento (Figura 8.1). Al obtener su energía a través de la fotosíntesis, se les conoce más específicamente como fotoautótrofos. La mayoría de las formas de vida no fotosintéticas, como los animales y los hongos, son heterótrofas, por lo que dependen completamente de otros organismos para obtener las moléculas orgánicas que constituyen sus cuerpos, la energía para funcionar y el oxígeno. Podemos consumir todo el dióxido de carbono (CO2) que queramos (el CO2 es lo que hace que las bebidas carbonatadas sean gaseosas), pero, como animales, no podemos utilizar el CO2 para producir moléculas orgánicas. Sin embargo, mediante la fotosíntesis, los vegetales pueden convertir el CO2 y el H2O en azúcares que conforman la base de miles de moléculas orgánicas, constituyentes de los organismos vivos. Como la mayoría de los heterótrofos dependen directa o indirectamente de los organismos fotosintéticos para su nutrición, los organismos fotosintéticos son la base de casi todas las cadenas alimenticias. En una cadena alimenticia terrestre, un animal terrestre puede alimentarse de vegetales o de animales que han ingerido vegetales. Por ejemplo, las vacas comen hierba, y los humanos comen carne de este animal. Por su parte, los hongos absorben compuestos ricos en energía de los restos de organismos cuyas moléculas orgánicas de carbono fueron producidas originalmente por vegetales y otros organismos fotosin-

Figura 8.1.

Organismos fotosintéticos.

Las especies fotosintéticas, que incluyen la mayoría de las plantas, algas y algunas bacterias, recogen la energía solar para producir moléculas orgánicas.

téticos. En una cadena alimenticia acuática, un animal se alimenta de algas o animales que han ingerido algas. Por ejemplo, los erizos de mar comen algas, y las nutrias marinas comen erizos de mar. Los únicos organismos que no dependen de la fotosíntesis son las bacterias conocidas como quimiautótrofas, que obtienen el carbono a partir de CO2, y la energía a partir de compuestos químicos inorgánicos (véase el cuadro El fascinante mundo de las plantas en la página siguiente). En algún momento anterior, cada átomo de carbono de nuestro cuerpo ha sido parte de un organismo fotosintético y ha sido procesado por ese organismo a partir de CO2 y de la energía solar. Las moléculas que contienen carbono producidas mediante fotosíntesis representan más del 94% del peso seco de los organismos vivos. Éstas se combinan con otros minerales del suelo para producir los muchos y diversos tipos de moléculas

08_Capítulo

21/11/05

202

11:49

Página 202

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

EL FASCINANTE MUNDO DE LAS PLANTAS Plantas no fotosintéticas

Pirola menor (Monotropa uniflora).

Algunas plantas son en realidad no fotosintéticas y dependen totalmente de la materia orgánica en descomposición para su nutrición. La llamada pirola menor (Monotropa uniflora) es una planta con flores saprofita. Sólo los tallos floríferos no fotosintéticos están por fuera de la tierra; el resto de la planta permanece bajo tierra, donde no actúa como parásito de otros vegetales, sino que obtiene los nutrientes a partir de restos vegetales en descomposición. Una leyenda cherokee cuenta que, después de una semana observando a los

presentes en un organismo vivo. Cuando fallecemos, el cuerpo termina convirtiéndose en CO2, agua y algunos minerales. Estas sustancias se utilizarán de nuevo en la fotosíntesis. La fotosíntesis también sustenta la vida al liberar oxígeno (O2). En 1771, un clérigo y científico inglés, de nombre Joseph Priestley, realizó experimentos en un recipiente cerrado para demostrar que los vegetales «restablecían» el aire, permitiendo así que una vela prendiese y un ratón sobreviviese. Más tarde, descubrió el oxígeno. Una cita a raíz de una medalla recibida por su descubrimiento decía: «Gracias a estos descubrimientos sabemos que ningún vegetal crece en vano… sino que limpia y purifica nuestra atmósfera». Más tarde, en 1779, un médico holandés, Jan Ingenhousz, repitió y amplió las observaciones de Priestley, demostrando que los vegetales restablecían el oxígeno únicamente en presencia de luz solar y en las partes verdes del vegetal. El O2 presente en la atmósfera se rompe en oxígeno molecular debido a la acción de la luz ultravioleta (UV), que combina el O2 para producir ozono (O3). La capa de ozono de la atmósfera absorbe la radiación solar UV nociva, lo que posibilita la existencia de la vida en la Tierra.

jefes guerreros de varias tribus fumar la pipa de la paz, el Gran Espíritu convirtió a los jefes en flores «pipa india» (nombre con el que se conoce a la especie en U.S.A.) para que todos recordaran que fumar la pipa de la paz representaba el fin de las disputas. De acuerdo con la leyenda, las flores crecen en aquellos lugares donde ha habido una riña entre personas. Sarcodes sanguinea es otro ejemplo de estos vegetales. Crece en el oeste de Estados Unidos y es un miembro saprofito de la familia a la que también pertenecen los arándanos. Sarcodes sanguinea.

La fotosíntesis utiliza energía luminosa para convertir CO2 y H2O en azúcares En las plantas y en las algas, la fotosíntesis tiene lugar en unos orgánulos microscópicos denominados cloroplastos (Capítulo 2). Los cloroplastos, que poseen un diámetro de unos 3-5 µm, pueden ser circulares o alargados, y abundan más en el tejido foliar, donde una célula normal puede contener entre 5 y 50 cloroplastos. El proceso de utilizar la energía luminosa para convertir CO2 y H2O en azúcares consiste en dos series de reacciones: las reacciones luminosas y el ciclo de Calvin (Figura 8.2). Las reacciones luminosas, que se producen en el interior de las membranas tilacoides, son la parte foto de la fotosíntesis, porque se encargan de capturar la energía luminosa. Utilizan energía luminosa y H2O para generar energía química en forma de ATP y NADPH, y liberan O2 como subproducto. El ciclo de Calvin, la parte síntesis de la fotosíntesis, une (sintetiza) azúcares de tres carbonos simples, utilizando ATP y NADPH procedentes de las reacciones luminosas y del CO2 presente en el aire. El ciclo de Calvin tiene lugar en el estroma, la región de fluido que rodea las tilacoides. Los azúcares de tres carbonos simples producidos por el ciclo de Calvin se convierten en bloques de construc-

08_Capítulo

21/11/05

11:49

Página 203

CAPÍTULO 8

◆

Fotosíntesis

203

Cloroplastos

CO2 (generalmente del aire)

H2O (generalmente de la raíz)

Estroma (fluido que rodea las membranas tilacoides)

Luz NADP+ Cloroplasto Reacciones luminosas

NADPH ADP + P

Ciclo de Calvin

i

ATP Conjunto de tilacoides (sáculo) O2 (hacia el aire)

Figura 8.2.

Azúcares (utilizados, a veces junto con minerales, para fabricar otras moléculas)

Perspectiva general de la fotosíntesis.

Las reacciones luminosas utilizan clorofila para capturar la energía luminosa, que es transferida en electrones proporcionados por el agua, al ATP y NADPH. El ciclo de Calvin utiliza ATP, NADPH y CO2 para fabricar azúcar fosfatos de tres carbonos simples, que se convierten en los bloques de construcción de moléculas más complejas.

ción de moléculas complejas, como la glucosa (C6H12O6). La fotosíntesis puede resumirse según la cantidad de CO2 y H2O necesaria para producir una molécula de glucosa: 6CO2
12H2O + energía luminosa → C6H12O6
6O2
6H2O El uso del estilo de fuente negrita en esta ecuación indica que los átomos de oxígeno de H2O se combinan para formar moléculas de O2. Podemos simplificar la fórmula limitándonos únicamente al consumo neto de H2O:

azúcares y otros carbohidratos (moléculas con estructura básica CH2O), con un carbono por sección: CO2
H2O
energía luminosa → CH2O
O2 En resumen, la fotosíntesis captura la energía luminosa del Sol y la utiliza para unir CO2 y formar azúcares. Estudiaremos las reacciones específicas del proceso más adelante en este capítulo.

6CO2
6H2O
energía luminosa → C6H12O6
6O2

Los procesos de fotosíntesis y respiración son interdependientes

Esta fórmula indica que el CO2, el agua y la energía luminosa se utilizan para fabricar azúcar y oxígeno. Podemos simplificar más la ecuación dividiendo la anterior por 6. Obtenemos la fórmula básica para la fabricación de

Antes de adentrarnos en las reacciones luminosas y en el ciclo de Calvin, debemos tener en cuenta que la fotosíntesis por sí sola no sustenta la vida. La fotosíntesis produce alimentos, pero todos los organismos, fotosintéticos o no,

08_Capítulo

21/11/05

204

11:49

Página 204

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

deben entonces extraer la energía de esos alimentos mediante un proceso conocido como respiración. En la respiración, que se produce en las mitocondrias, los organismos rompen las moléculas orgánicas en presencia de oxígeno y convierten la energía almacenada en ATP. Las células utilizan luego la energía del ATP para realizar el trabajo. En otras palabras, la respiración recoge la energía de los alimentos producidos por la fotosíntesis. Cada proceso depende de los productos resultantes del otro, pues la respiración utiliza los azúcares y el O2 para producir CO2, H2O y ATP, mientras que la fotosíntesis utiliza CO2 y H2O para producir azúcares y O2 (Figura 8.3). La respiración es un proceso exergónico, que tiene como resultado una salida neta de energía libre en forma

de ATP, mientras que la fotosíntesis es un proceso endergónico, cuyo resultado es una entrada neta de energía libre. En el Capítulo 9 estudiaremos cómo la respiración produce energía a partir de moléculas orgánicas resultantes de la fotosíntesis.

Repaso de la sección 1. ¿Cómo obtienen los organismos no fotosintéticos las moléculas de carbono necesarias para la vida? 2. ¿En qué se diferencian los heterótrofos de los autótrofos? 3. ¿Cuál es la fuente del oxígeno que se produce durante la fotosíntesis? 4. Describe brevemente la relación entre fotosíntesis y respiración.

La conversión de energía solar en energía química se produce mediante reacciones luminosas Energía solar

Puesto que la luz solar proporciona la energía que impulsa la fotosíntesis, los organismos están, por ende, impulsados por el Sol. En las reacciones luminosas, la energía que absorbe la clorofila se utiliza para fabricar dos compuestos ricos en energía: ATP y NADPH.

Azúcares + O2

La clorofila es la molécula principal para la absorción de luz durante la fotosíntesis

Fotosíntesis en el cloroplasto

CO2 del aire

CO2 + H2O Respiración en la mitocondria

ATP (La energía del ATP se utiliza para impulsar la mayor parte del trabajo celular, como la fabricación de moléculas orgánicas. La energía también abandona el vegetal en forma de calor.)

Figura 8.3.

Interdependencia de la fotosíntesis y la respiración.

Los productos de la fotosíntesis, azúcares y O2, se utilizan en la respiración para producir ATP, que impulsa la mayor parte del trabajo celular. Los subproductos de la respiración, CO2 y H2O, se utilizan en la fotosíntesis.

La fotosíntesis es posible gracias a las moléculas que absorben la luz, denominadas pigmentos. El tipo de pigmentos que absorbe energía para utilizarla en la fotosíntesis se encuentra unido totalmente o en parte a las membranas tilacoides de los cloroplastos. El pigmento que está implicado directamente en las reacciones luminosas es el pigmento verde conocido como clorofila (Figura 8.4). Cada tipo de pigmento fotosintético absorbe energía luminosa en unas longitudes de onda determinadas. La luz visible y otras formas de energía electromagnética se mueven a través del espacio en forma de paquetes energéticos denominados fotones, que varían según la cantidad de energía que contienen, dependiendo de la longitud de onda. Un fotón con una longitud de onda menor contiene más energía que un fotón con una longitud de onda mayor (Figura 8.5a). Por ejemplo, los fotones que son visibles como luz azul contienen más energía que los fotones visibles como luz roja. La clorofila absorbe los fotones

08_Capítulo

21/11/05

11:49

Página 205

CAPÍTULO 8

◆

Fotosíntesis

205

Clorofila

Membrana tilacoide

CH2 CH

H

C

Grupo de pigmentos (moléculas que absorben la luz)

H3C

en la clorofila b

CH3

en la clorofila a

C

C C

C

C

CHO

C

CH2

C N N C Mg H C C H N C C N H3C C C CH3 C C H C C C CH2 H C H C O CH2 C O C

Proteína

O

O

CH3

Cabeza que absorbe la luz de la molécula de clorofila

O CH3

CH2

Sáculo Cola de hidrocarburo de la molécula de clorofila (no se muestran los átomos de hidrógeno)

Membrana tilacoide Lumen

Cloroplasto

Figura 8.4.

Sáculo, sitio de las reacciones luminosas

Estroma, sitio del ciclo de Calvin

de las porciones roja y azul del espectro visible, pero transmite o refleja los fotones de la porción verde (Figura 8.5b). En otras palabras, el color verde es lo que es visible después de que la clorofila haya absorbido la luz utilizada en las reacciones luminosas de la fotosíntesis. Las partes fotosintéticas de los vegetales (las hojas y algunos tallos), debido a que las membranas tilacoides reflejan la luz verde, suelen ser verdes. Existen dos tipos principales de clorofila en las plantas y algas verdes, conocidos como clorofila a y clorofila b. En las plantas, la clorofila a es el único pigmento que está directamente implicado en las reacciones luminosas. Absorbe primordialmente luz de los campos azul-violeta y rojo del espectro, y es de color verde oscuro, porque refleja principalmente la luz verde. En la fotosíntesis, el electrón de la clorofila a que ha absorbido un fotón de la porción azul del espectro pierde la energía extra en forma de calor y termina con igual energía que un electrón que ha

Localización y estructura de la clorofila.

La fotosíntesis en los vegetales y algas se produce en el interior de unos orgánulos denominados cloroplastos, que se encuentran en las células de las hojas y algunos tallos de los vegetales. Dentro del cloroplasto, unas estructuras unidas por membranas, llamadas tilacoides, se unen para formar sáculos. Las membranas tilacoides absorben la luz a través de grupos de pigmentos, de entre los cuales el pigmento verde, clorofila a, se encuentra directamente implicado en las reacciones luminosas.

sido energizado por un fotón de la porción roja del espectro. En otras palabras, los vegetales no utilizan de forma directa la luz azul en la fotosíntesis. La clorofila b no participa directamente en las reacciones luminosas, sino que transmite la energía absorbida a aquellas moléculas de clorofila a que están directamente implicadas. Por este motivo, la clorofila b se conoce como pigmento accesorio. Otros pigmentos accesorios, denominados carotenoides, absorben fundamentalmente luz azul-verde y reflejan la luz amarilla o amarilla-naranja. En los vegetales, estos pigmentos accesorios no suelen ser visibles hasta que la clorofila se rompe, como cuando las hojas de las plantas caducifolias cambian de color. Los carotenoides son los responsables de la coloración otoñal, después de que los días cortos y las frías temperaturas hayan ralentizado la fotosíntesis y se haya roto la clorofila. Al medir la producción de O2 como una función de la longitud de onda, se descubre el espectro de acción para

08_Capítulo

21/11/05

206

11:49

Página 206

UNIDAD DOS

10–5 nm 10–3 nm 1 nm Rayos Rayos-X Gamma

◆

Funciones de las plantas

103 nm

UV

106 nm Microondas

Infrarrojos

103 m

1m

Ondas de radio

Luz visible

380 400 450 500 550 600 650 Incremento de longitud de onda Incremento de energía

700

750 nm

(a) Espectro electromagnético

Ficoeritrina Ficocianina Espectro solar

Absorbencia

Clorofila a Clorofila b Carotenoides

400

500

600

700 nm

Tasa de fotosíntesis (medido según la emisión de O2)

(b) Absorción de pigmentos

la fotosíntesis, esto es, una representación de la eficacia de diferentes longitudes de onda de la luz en la promoción de la fotosíntesis. El espectro de acción para la fotosíntesis presenta picos en las regiones azul y roja del espectro, que se corresponden estrechamente con el espectro de absorción de la clorofila, es decir, el nivel de capacidad de un pigmento para absorber las longitudes de onda de la luz. Esta correspondencia indica que la clorofila es el pigmento principal presente en la fotosíntesis (Figura 8.5b y c). El espectro de acción de la fotosíntesis también puede demostrarse colocando bacterias que necesitan oxígeno cerca de un filamento de alga fotosintética y exponiendo, a continuación, el alga a las diferentes longitudes de onda. Las bacterias se agrupan donde se libera O2 como subproducto de la fotosíntesis, es decir, en las zonas que reciben luz azul y roja (Figura 8.5d). Cabría preguntarse por qué la fotosíntesis no hace uso de toda la luz disponible, en cuyo caso los vegetales serían de color negro. Una posible respuesta sería que en los primeros tiempos de la Tierra, hace más de 2.500 millones de años, alguna otra forma de vida absorbió primero la luz verde, haciendo que no estuviera disponible para la fotosíntesis. Puede que esta forma de vida flotara sobre la superficie del mar, colocándose la primera para absorber la luz. Por ejemplo, el procariota Halobacterium absorbe luz verde. Algunos procariotas fotosintéticos, denominados cianobacterias, absorben fundamentalmente luz de la región verde, pero también de la región azul del espectro.

La energía luminosa promueve la fotosíntesis en zonas denominadas fotosistemas 400

600

500

700 nm

En el interior de las membranas tilacoides, la clorofila a, la clorofila b y otros pigmentos, como los carotenoides,

(c) Espectro de acción

Figura 8.5.

Bacterias que necesitan oxígeno

Filamento del alga 400

500

600 Longitud de onda (nm)

(d) Experimento de Engelmann

700 nm

La clorofila absorbe la luz.

(a) El espectro electromagnético contiene una banda relativamente estrecha de luz visible. (b) La clorofila absorbe luz en las regiones azul y roja del espectro de absorción, pero transmite la verde. (c) El espectro de acción de la fotosíntesis corresponde al espectro de absorción de la clorofila y los pigmentos accesorios. (d) En 1883, Thomas Engelmann colocó bacterias unicelulares que necesitaban oxígeno a lo largo de un filamento de alga fotosintética. Las bacterias se congregaron alrededor de las regiones de las células del alga que recibían luz azul y roja de un prisma. De este modo, demostró cuáles eran las longitudes de onda de la luz responsables de la producción de oxígeno al promover la fotosíntesis. Como podemos ver, la distribución de bacterias se corresponde con el espectro de acción de la fotosíntesis.

08_Capítulo

21/11/05

11:49

Página 207

CAPÍTULO 8

forman grupos de pigmentos. Cada uno de estos grupos consta de entre 200 y 300 moléculas de pigmentos, junto con otras moléculas proteínicas asociadas. Los experimentos señalan que las reacciones luminosas que se producen en cada grupo se activan por una molécula de clorofila a, que absorbe la energía de un fotón y expulsa un electrón, que luego absorbe una molécula conocida como receptor primario de electrones. Juntos, la molécula de clorofila a y el receptor primario de electrones se conocen como centro de reacción. El centro de reacción y los pigmentos accesorios presentes en cada grupo trabajan en conjunto como una unidad captadora de luz, que se denomina fotosistema (Figura 8.6). Cada fotosistema absorbe la energía luminosa en la parte exterior (estroma) de la membrana tilacoide. Existen dos tipos de fotosistemas, conocidos como fotosistema I y fotosistema II. Los números indican el orden en el que fueron descubiertos. El fotosistema I posee poca clorofila b, mientras que el fotosistema II tiene mayor cantidad de esta clorofila, prácticamente la misma que de clorofila a. Existen numerosos fotosistemas a lo largo de una membrana tilacoide. Los pigmentos accesorios son componentes esenciales. A menudo, la molécula de clorofila a que activa las reacciones luminosas no es impactada de forma directa por los fotones, puesto que representa menos de un 1% de los pigmentos presentes en un fotosistema. Sin embargo, los pigmentos accesorios canalizan la energía del fotón a la clorofila a en el centro de reacción. En ocasiones, estos pigmentos accesorios, junto con las moléculas de clorofila a que transfieren la energía a la molécula de clorofila a del centro de reacción, son referidos como complejos antena, porque estas moléculas de pigmentos actúan como antenas que reciben y transmiten energía, algo así como una antena parabólica. La energía puede transferirse en forma de electrones energizados, o es la energía en sí misma la que se mueve de molécula en molécula. La molécula de clorofila a del centro de reacción absorbe energía en longitudes de onda ligeramente más largas (de menor energía) que la clorofila en general. La molécula de clorofila a del centro de reacción en el fotosistema II se conoce como P680, donde la P se refiere al pigmento, y el número indica que la molécula absorbe mejor la luz a una longitud de onda de 680 nm. En el fotosistema I, la molécula de clorofila a del centro de reacción se conoce como P700, porque absorbe mejor la luz a 700 nm. Como resultado de la transferencia de energía de los complejos antena, la molécula de clorofila a del centro de reacción puede recibir mucha más energía luminosa que si la hubiera absorbido por

◆

Receptor primario de eletrones

Luz

207

Fotosíntesis

Transferencia Clorofila a del electrón del centro de reacción

Centro de reacción

Fotón Complejos antena

Transferencia de energía Fotosistema Grupo de pigmentos Proteína

Membrana tilacoide

Figura 8.6.

Cada fotosistema es un complejo de recogida de luz.

Un fotosistema consiste en un centro de reacción y en un complejo antena de moléculas de pigmentos, que transfieren la energía luminosa a la molécula de clorofila a del centro de reacción. El centro de reacción también contiene un receptor primario de electrones. Este proceso se produce de forma repetida en cada fotosistema.

su cuenta. Cada vez que se activa la molécula de clorofila a del centro de reacción, se transfiere un electrón energizado al receptor primario de electrones.

Las reacciones luminosas producen O2, ATP y NADPH Los dos fotosistemas que absorben luz se unen según un modelo en forma de zigzag, en ocasiones denominado gráfico Z (Figura 8.7). El gráfico Z representa una serie de transportadores de electrones con base proteínica, que determinan una ruta para el movimiento de electrones.

08_Capítulo

21/11/05

208

11:49

Página 208

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

Receptor primario de electrones

Ca

Ca Receptor d primario de de tr ena de an 6 electrones ele spo ctr rte on es de

na

de

Energía de los electrones

PQ

2 La ruptura del agua libera oxígeno

2

H+

+

Fd

tra

ns

1

1/ O 2 2

po

rte

3

2 de

ele

ctr

2 e– Complejo de cicotromos

H2O

NADP+ reductasa

on

es

2 e– NADPH + H+

PC 2 e–

P680

P700

Fotosistema II

Luz

El flujo de electrones proporciona energía para la síntesis de Fotosistema I

ATP

Figura 8.7.

e–

5

4

Luz

NADP+ + 2 H+

utilizando energía procedente de la ósmosis química

Movimiento de electrones en las reacciones luminosas.

Este diagrama en zigzag, conocido como gráfico Z, nos ofrece una visión general del flujo de energía en las reacciones luminosas. Como cada electrón fluye a través de los transportadores de electrones —plastoquinona (PQ), un complejo proteico de citocromos; plastocianina (PC); ferredoxina (Fd), y NADP
reductasa—, cada portador atrae el electrón con mayor intensidad que el portador anterior. Los pasos enumerados se describen en el texto.

Debemos tener en cuenta que esta ruta se repite miles de veces dentro de una membrana tilacoide común. El movimiento de electrones de cada gráfico Z constituye las reacciones luminosas. Seguiremos ahora el flujo de energía para observar cómo las reacciones luminosas producen O2, ATP y NADPH. Los pasos se corresponden a los enumerados en la Figura 8.7. A pesar de que los electrones pasan de uno en uno por la serie de reacciones luminosas, la ilustración muestra dos electrones, el número necesario al final de las mismas para transformar una molécula de NADP+ en una molécula de NADPH.
Cuando la energía luminosa llega a la clorofila a del centro de reacción, energiza un electrón de la molécula de clorofila a. Éste se transfiere al receptor primario de electrones.  Cada electrón expulsado es sustituido rápidamente por un electrón de H2O, después de que una enzima divide una molécula de H2O en dos electrones, dos

iones de hidrógeno (H+) y un átomo de oxígeno (un ión de hidrógeno es un protón solitario). La clorofila a presenta carga positiva, pues ha perdido un electrón, de forma que atrae los electrones del agua cargados negativamente. Además de reemplazar el electrón en la molécula de clorofila a, la ruptura del agua produce oxígeno, liberando una molécula de O2 por cada par de moléculas de H2O que se rompen.  Cada electrón expulsado de la molécula de clorofila a pasa del receptor primario de electrones y pierde energía de forma gradual a causa de su transferencia por una serie de transportadores de electrones, que en conjunto se conocen como cadena de transporte de electrones. El movimiento de transportador a transportador se produce mediante una serie de reacciones de oxidación-reducción (redox).  La energía liberada por el flujo de electrones se utiliza de manera indirecta para impulsar la síntesis de ATP, un proceso que estudiaremos en breve.

08_Capítulo

21/11/05

11:49

Página 209

CAPÍTULO 8

 Cada electrón que pasa por la cadena de transporte de electrones neutraliza la molécula de clorofila a del centro de reacción del fotosistema I, cargada positivamente. Esta molécula de clorofila a presenta carga positiva, pues la absorción de un fotón ha expulsado un electrón otra vez energizado, que se transfiere a un receptor primario de electrones.  Cada electrón expulsado del fotosistema I pasa a través de otra cadena de transporte de electrones. El último transportador de esta cadena es una enzima que transforma NADP+ en NADPH. Como hemos dicho antes, es necesario que dos electrones pasen a través de las reacciones luminosas para que se sintetice un NADPH.

◆

Fotosíntesis

209

o calor, un 5% de la energía solar que absorben. Como veremos, el ATP y NADPH producidos por las reacciones luminosas se utilizan en el ciclo de Calvin para convertir CO2 en fosfatos de azúcar simples.

En las reacciones luminosas, el ATP se sintetiza utilizando energía de la ósmosis química Los electrones pierden energía a medida que se mueven por la cadena de transporte de electrones entre el fotosistema II y el fotosistema I. Esta energía se utiliza para bombear protones del estroma hacia el interior del tilacoide, lo que provoca una diferencia en la concentración de iones H+ existentes a lo largo de la membrana del tilacoide (Figura 8.8). La diferencia de carga implica también una diferencia en el pH, lo que crea una especie de batería que almacena energía para la realización del trabajo. Mediante un proceso conocido como ósmosis química (del griego osmos, «empuje»), los iones H+ retroceden a través de la membrana, liberando energía. Muchos de estos iones H+ fluyen a través de una enzima denominada ATP sintasa, que utiliza la energía para añadir un fosfato inorgánico (Pi) al ADP y formar ATP.

De este modo, las reacciones luminosas utilizan los electrones energizados expulsados del fotosistema II para producir ATP rico en energía, y utilizan los electrones energizados de nuevo y expulsados por el fotosistema I para producir NADPH. Las reacciones luminosas capturan el 32% de la energía solar absorbida por la clorofila, lo que las hace más eficaces que cualquier sistema de captura de energía fabricado por los humanos. Por ejemplo, los paneles solares suelen capturar, en forma de electricidad

Luz Fotosistema I Luz

Complejo de cicotromos

Fotosistema II

NADP+ reductasa Fd

Figura 8.8. NADPH

2 H+

PC

PQ

Flujo de electrones

Estroma

Lumen (espacio en el interior de la tilacoide)

H2O 1/

2

O2 + 2 H+

ATP

2 H+

ATP sintasa

Membrana tilacoide

ADP + P i

H+

Ósmosis química y síntesis de ATP en las reacciones luminosas.

Este diagrama muestra el flujo de iones de hidrógeno (H+), un proceso denominado ósmosis química a través de la ATP sintasa. Algunos de los iones de hidrógeno proceden de la ruptura del agua, mientras que otros son bombeados a través de la membrana, debido a la energía liberada por el flujo de electrones en la cadena de transporte de electrones. La ATP sintasa utiliza la energía de la ósmosis química para añadir un fosfato inorgánico (Pi) al ADP y formar ATP.

08_Capítulo

21/11/05

210

11:49

Página 210

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

Esta fosforilación se conoce como fotofosforilación, porque la energía utilizada para llevarla a cabo procede originariamente de la luz. Los electrones suelen moverse del fotosistema II al fotosistema I en un movimiento referido como flujo electrónico no cíclico. Durante las reacciones luminosas producidas de manera natural en los vegetales, la síntesis de ATP depende de este flujo electrónico no cíclico y, por tanto, se conoce como fotofosforilación no cíclica. En algunas bacterias y en algunos experimentos realizados en laboratorio con plantas, es posible conseguir lo que se conoce como fotofosforilación cíclica, que sólo afecta al fotosistema I. Los electrones fluyen en un ciclo desde el centro de reacción del fotosistema I a la cadena de transporte de electrones, y vuelven al mismo centro de reacción, produciendo indirectamente ATP, pero no NADPH. Con todo, los fisiólogos vegetales continúan debatiendo si la fotofosforilación cíclica se produce de forma natural en las plantas.

Repaso de la sección 1. Describe la función de la clorofila en la fotosíntesis. 2. ¿De qué manera la energía luminosa activa las reacciones luminosas? 3. Señala los productos de las reacciones luminosas y explica cómo se forman.

La conversión del CO2 en azúcares se produce a través del ciclo de Calvin Como hemos visto, las reacciones luminosas utilizan energía luminosa y H2O para producir energía química en forma de ATP y NADPH. Estos productos impulsan la segunda parte de la fotosíntesis, el ciclo de Calvin, que fabrica fosfatos de azúcar simples. El ciclo de Calvin debe su nombre a Melvin Calvin, quien, junto con el que fue su estudiante, Andrew Benson, y más tarde con James Bassham, determinó en 1953 la ruta mediante la que los vegetales convierten el CO2 en azúcares. En 1961, Calvin recibió el premio Nóbel por su descubrimiento, que realizó mediante experimentos en los que exponía algas fotosintéticas a CO2 radiactivo durante períodos de tiempo cada vez menores (Figura 8.9). Después de 5 segundos de exposición al CO2 radiactivo, el compuesto radiactivo principal en las algas era una molécula de tres carbonos conocida como 3-fosfoglicerato (PGA). El resto del ciclo de Calvin se descubrió mediante experimentos similares. El ciclo de Calvin también se conoce como ruta C3, puesto que el primer producto posee tres carbonos.

Figura 8.9.

Experimento de Calvin.

Melvin Calvin, en colaboración con Andrew Benson y otros colegas, dirigió un experimento mediante el que se exploraba el proceso de la fotosíntesis en las algas verdes, utilizando CO2 radiactivo en este aparato con forma de «piruleta». Después de variar los períodos de tiempo, el contenido de la piruleta se vertía en alcohol hirviendo, con el fin de matar las algas para poder seguir el proceso de la radioactividad a través de varios componentes. De este modo, Calvin y sus colegas fueron capaces de determinar cómo se producía la fijación de CO2 en la fotosíntesis.

08_Capítulo

21/11/05

11:49

Página 211

CAPÍTULO 8

El ciclo de Calvin utiliza el ATP y NADPH de las reacciones luminosas para obtener fosfatos de azúcar a partir de CO2 En ocasiones, las reacciones del ciclo de Calvin son referidas como reacciones oscuras o reacciones independientes de la luz, porque pueden tener lugar en la oscuridad, siempre que se provean los productos de las reacciones luminosas (ATP y NADPH). No obstante, estos términos pueden resultar engañosos, ya que presuponen que el ciclo de Calvin puede continuar de forma indefinida en la oscuridad, que no es el caso. Las reservas celulares de ATP y NADPH duran sólo unos pocos segundos o minutos, como mucho. Las células no almacenan grandes cantidades de ATP o NADPH, por lo que el ciclo de Calvin depende de que estas moléculas sean aportadas de nuevo por las reacciones luminosas. Como hemos visto, en las plantas y en las algas, el ciclo de Calvin se produce en el exterior de las tilacoides, en el estroma de los cloroplastos. En el caso de las plantas, el CO2 se introduce a través de unos poros de la epidermis foliar denominados estomas, y luego se difunde en el interior de células del mesófilo, donde tiene lugar la fotosíntesis. El ciclo de Calvin utiliza productos ricos en energía de las reacciones luminosas (ATP y NADPH) para incorporar tres moléculas de CO2 (una cada vez) en un fosfato de azúcar de tres carbonos. Podríamos pensar que la síntesis de azúcares se produce al unir moléculas de CO2, al tiempo que se añaden electrones e hidrógenos. Sin embargo, no es el caso. De hecho, el ciclo de Calvin añade un CO2 a un compuesto de cinco carbonos. Después de que el ciclo se repita tres veces, se ha añadido suficiente carbono como para que se forme una molécula de fosfato de azúcar de tres carbonos, denominada gliceraldehído-3-fosfato (G3P), también conocida como 3fosfogliceraldehído (PGAL). Fuera del ciclo de Calvin, las moléculas de G3P se utilizan para producir moléculas de diversos tipos de azúcares de seis carbonos, incluidas la fructosa y la glucosa, que pueden combinarse para formar la sacarosa, compuesta por 12 carbonos. La sacarosa es el principal azúcar utilizado en la transposición de carbohidratos desde las hojas hasta otras partes del vegetal. El ciclo de Calvin incorpora CO2 y utiliza ATP y NADPH de las reacciones luminosas para crear los bloques de construcción de la vida. Los átomos de carbono fijados en forma de azúcar en el ciclo de Calvin se convierten finalmente en los carbonos de todas las moléculas orgánicas presentes en vegetales, animales y casi cualquier

◆

Fotosíntesis

211

forma de vida. La Figura 8.10 nos da una idea general de un recorrido del ciclo de Calvin:
Un ATP promueve la adición de un fosfato a un fosfato de azúcar de cinco carbonos para fabricar una molécula de fosfato de azúcar con dos fosfatos. La adición de este segundo fosfato energiza la molécula de cinco carbonos. De manera específica, se utiliza un ATP para fabricar ribulosa-1,5bifosfato (RuBP) a partir de ribulosa-5-fosfato (Ru5P).  El dióxido de carbono se añade al fosfato de azúcar de cinco carbonos. En concreto, la enzima rubisco añade CO 2 a RuBP. Como podremos recordar del Capítulo 7, el nombre rubisco es la forma abreviada de la ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa/oxigenasa. Se dice que la rubisco es una carboxilasa, porque puede añadir un carbono de CO2 a otra molécula. En este caso, el compuesto de seis carbonos resultante, de corta vida, se rompe inmediatamente en dos moléculas de un ácido orgánico de tres carbonos, 3-fosfoglicerato (PGA). Este proceso se conoce como fijación de carbono, porque el carbono del CO2 se incorpora («fijo» o unido) a una molécula no gaseosa más compleja.  Dos moléculas de ATP añaden fosfatos a los ácidos orgánicos de tres carbonos. La adición de fosfatos energiza los ácidos orgánicos de tres carbonos. En concreto, se utilizan dos moléculas de ATP para convertir dos moléculas de PGA en moléculas de 1,3-bifosfoglicerato (BPG).  Dos moléculas de NADPH añaden electrones a los fosfatos de ácidos orgánicos de tres carbonos, reduciendo cada BPG a una molécula de gliceraldehído3-fosfato (G3P). El resultado son dos moléculas de G3P, que representan un total de seis carbonos.  Después de tres recorridos del ciclo de Calvin, se ha fijado el suficiente carbono para permitir que una molécula de G3P abandone el ciclo y esté disponible para la fabricación de otros azúcares, a la vez que deja carbonos suficientes para regenerar Ru5P y completar el ciclo.  La mayor parte de G3P continúa a través del resto del ciclo de Calvin. Otras reacciones del ciclo aportan fosfatos de azúcar de cuatro, seis y siete carbonos. Finalmente, el ciclo regenera la molécula de cinco carbonos de Ru5P, lo que inicia un nuevo recorrido del ciclo.

08_Capítulo

21/11/05

212

11:49

Página 212

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

CO2

Ribulosa-1,5-bifosfato (RuBP)

ADP ATP

P

Carbono P

1 Ribulosa-5-fosfato (Ru5P)

2

Rubisco

P

P

P (vida corta)

Ciclo de Calvin

6

3-fosfoglicerato (PGA) P Gliceraldehído-3-fosfato (G3P)

P

3

2 ATP

P 5

P

2 ADP

4 Después de tres recorridos del ciclo, hay una G3P disponible para su utilización en la fabricación de azúcares.

2

P

P

3 CO2 (3 carbonos)

P

P

2 NADPH

Figura 8.10.

Carbonos presentes después de tres recorridos del ciclo de Calvin.

3 moléculas de vida corta (18 carbonos)

6 PGA (18 carbonos)

5 G3P (15 carbonos)

1 G3P (3 carbonos)

i

2 NADP+

3 RuBP (15 carbonos) 3 Ru5P (15 carbonos)

P

1,3-bifosfoglicerato (BPG)

6 BPG (18 carbonos)

He aquí la ecuación general que refleja los productos de los tres recorridos del ciclo de Calvin: 3CO2 + 6NADPH + 9ATP + 6H+

→

1G3P + 6NADP+ + 9ADP + 8Pi + 3H2O

Esta ecuación refleja las tres moléculas de CO2 necesarias para el azúcar, las nueve moléculas de ATP y las seis mo-

Ciclo de Calvin.

El ciclo de Calvin produce un fosfato de azúcar de tres carbonos denominado gliceraldehído-3-fosfato (G3P). (El número 3 determina que el grupo fosfato está unido, como el tercer carbono en la mitad de las moléculas.) Para fabricar G3P, el ciclo de Calvin utiliza CO2 del aire y energía de ATP y NADPH, producidos por las reacciones luminosas. El diagrama muestra un recorrido del ciclo, donde los números se corresponden a los pasos descritos en el texto. El ciclo debe producirse tres veces antes de que una molécula de G3P esté disponible para abandonarlo y ser utilizada en la fabricación de azúcares, como glucosa y sacarosa, así como de almidón. El ciclo de Calvin también devuelve ADP y fosfato inorgánico (Pi) a las reacciones luminosas.

léculas de NADPH utilizadas para tres recorridos del ciclo de Calvin. Los productos NADP+, ADP y Pi regresan a las reacciones luminosas en forma de reactivos. La glucosa, un azúcar fundamental en las células vivas, se produce indirectamente a partir de dos moléculas de G3P formadas en el ciclo de Calvin. Los destinos metabólicos de G3P comprenden:

08_Capítulo

21/11/05

11:49

Página 213

CAPÍTULO 8

◆ ◆

◆ ◆ ◆ ◆

Conversión en CO2 y H2O durante la respiración, con almacenamiento de energía en ATP. Conversión durante la respiración en compuestos intermedios, que se sintetizan en aminoácidos y otros compuestos. Conversión en fructosa 6-fosfato (F6P) y fructosa bifosfato. Conversión de F6P en glucosa 6-fosfato (G6P) y glucosa 1-fosfato (G1P). Utilización de G1P para fabricar celulosa para la pared celular y almidón para la reserva de energía. Utilización de G1P y F6P para fabricar sacarosa para el transporte a través del vegetal.

El ciclo de Calvin es relativamente ineficaz en la conversión de CO2 en azúcares La eficacia del ciclo de Calvin es la cantidad de energía química que éste utiliza realmente para convertir el CO2, en comparación con la energía luminosa recibida por las reacciones luminosas. La eficacia del ciclo de Calvin puede medirse comparando cuánta energía utiliza el ciclo para fijar CO2 y cuánta energía luminosa se necesita para generar el NADPH que activa el ciclo. Se ha calculado que el máximo teórico de eficacia fotosintética es de un 35%. Con todo, la mayoría de las plantas y algas alcanzan en realidad sólo entre un 1% y un 4%. Esta reducida eficacia se debe en parte al hecho de que el ciclo de Calvin debe gastar cerca de la mitad del carbono que fija. Esto sucede en un proceso denominado fotorrespiración, que estudiaremos en breve. Puesto que los totales de producción de la fotosíntesis implican grandes números difíciles de imaginar, hagamos un resumen ejemplificado con un vegetal y a una persona. Una planta de maíz fija 0,23 kg de carbono por estación. Una persona de 45 kg contiene alrededor de 6,8 kg de carbono fijado. Un grano de maíz de los que habitualmente consumimos contiene un 10% o menos de ese carbono. Una mazorca grande de maíz cocida contiene 100 kilocalorías (kcal), con lo que la cantidad suficiente para el mantenimiento de un humano adulto correspondería a 25 mazorcas al día, o 9.125 mazorcas al año, el equivalente aproximado a una cuarta parte de una hectárea de cultivo.

La enzima rubisco funciona también como una oxigenasa, lo cual da lugar a la fotorrespiración Rubisco, la enzima que fija el carbono en el ciclo de Calvin, es la proteína más abundante en la Tierra. Cada car-

◆

Fotosíntesis

213

bono de nuestro cuerpo ha sido procesado por la rubisco, dado que el carbono procede directa o indirectamente de los vegetales. Durante el verano, la rubisco puede ser responsable de un 15% de disminución de la concentración atmosférica diaria de CO2. En el interior del dosel vegetal, donde se produce la mayor parte de la fotosíntesis, la disminución alcanza el 25%. Los vegetales crecen más deprisa si la concentración de CO2 de la atmósfera circundante se incrementa de forma artificial, como en ocasiones se hace en los invernaderos. El incremento gradual de la concentración de CO2 en la atmósfera de la Tierra, como resultado de la quema de combustible fósiles por el hombre, puede quizás atenuarse por un incremento de la fotosíntesis por las plantas. El oxígeno producido por las reacciones luminosas de la fotosíntesis inhibe en realidad la fijación neta del carbono que lleva a cabo la rubisco. Esto ocurre porque la rubisco, además de su labor como carboxilasa (enzima que añade carbono del CO2 a otra molécula) puede funcionar como oxigenasa, una enzima que añade oxígeno a otra molécula (Figura 8.11). La rubisco no enlaza firmemente el CO2 y, a temperaturas más altas y menores concentraciones de CO2, tiende a enlazar el oxígeno. En Ribulosa bifosfato (RuBp) (Azúcar de 5 carbonos) CO2 bajo/O2 alto Fotorrespiración (la rubisco añade oxígeno)

1 ácido fosfoglicérico (molécula de 3 carbonos) + 1 fosfoglicolato (molécula de 2 carbonos)

CO2 alto/O2 bajo Ciclo de Calvin (la rubisco añade carbono del CO2 a RuBP)

2 ácidos fosfoglicéricos (moléculas de 2-3 carbonos)

Se producen varias reacciones, incluida una que utiliza oxígeno

2 CO2

Figura 8.11.

Rubisco y fotorrespiración.

Rubisco, la enzima de fijación del ciclo de Calvin, puede funcionar como carboxilasa (fijación de carbono) o como oxigenasa (fijación de oxígeno), según la concentración de oxígeno. Como carboxilasa, la rubisco facilita la producción de azúcares. Como oxigenasa, convierte dos carbonos de la ribulosa bifosfato en CO2, en un proceso denominado fotorrespiración.

08_Capítulo

21/11/05

214

11:49

Página 214

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

E V O L U C IÓ N La evolución y la concentración de O2 i nos paramos por un momento a pensar en ello, el O2 producido por la fotosíntesis debería ser utilizado en la respiración tanto de organismos fotosintéticos como de no fotosintéticos. Entonces, ¿por qué la atmósfera actual tiene un 21% de O2 cuando, en sus orígenes, la Tierra carecía del mismo? Grosso modo, la idea de que la concentración de O2 ha aumentado gradualmente desde cero hasta el presente 21% es demasiado simple. El curso y las causas de los cambios en la concentración del O2 atmosférico son áreas de investigación muy activas. Después de que la Tierra se enfriara lo suficiente como para que la gravedad pudiera mantener una atmósfera, ésta presentaba una concentración de CO2 elevada (puede que de un 80%) y carecía de oxígeno. Cuando la fotosíntesis evolucionó en las bacterias hace unos 3.500 millones de años, había mucho CO2 disponible. Durante los primeros dos mil millones de años, los depósitos de hierro del suelo oceánico absorbían el O2 producido por la fotosíntesis. Posteriormente, el O2 comenzó a aparecer de forma gradual en la atmósfera. Los organismos fotosintéticos evolucionaron hasta convertirse en numerosas formas distintas, del mismo modo que las bacterias no fotosintéticas, gracias a la biomasa y a la producción de O2 de sus parientes fotosintéticos. Hace entre 2.500 y 1.900 millones de años, se produjo un incremento en la cantidad de O2 atmosférico. Algunos investigadores opinan que la causa fue una creciente escorrentía y erosión de los continentes, lo que originó un aumento de los sedimentos oceánicos, que enterraron y mataron muchas de las bacterias no fotosintéticas que vi-

S

vían en el suelo oceánico. De este modo, los organismos fotosintéticos, que absorbían la luz cerca de la superficie, adquirieron preponderancia, lo que produjo el rápido incremento de la concentración de O2. Los niveles acrecentados de O2 podrían haber posibilitado la evolución de las células eucariotas hace unos 2.200 millones de años. Un segundo aumento en la concentración de O2 se produjo justo antes del período Cámbrico, hace unos 600 millones de años, y muy probablemente por la misma razón geológica. Este incremento en la concentración de O2 podría haber impulsado la gran radiación adaptativa que se produjo por aquellos tiempos en los invertebrados. A finales del período Cámbrico, la concentración de O2 había alcanzado al menos un 2%, suficiente para permitir la supervivencia de los eucariotas terrestres. La evolución y rápida propagación de los vegetales terrestres, hace unos 430 millones de años, fue la causante del posterior incremento de la concentración de O2 hasta un 35% en el período Carbonífero, hace 370 millones de años. Esto podría explicar la existencia, en aquel entonces, de libélulas gigantes de dos patas y otros enormes insectos. El ineficaz sistema de oxigenación de los insectos establece un límite para su tamaño, en función de la concentración de O2 dependiente. A finales del período Pérmico, hace unos 250 millones de años, el porcentaje de O2 había descendido hasta un 15%. Esta disminución pudo deberse en parte a una gran mortalidad de organismos, seguida de su descomposición. Después de estas extinciones masivas, los organismos fotosintéticos retomaron su supremacía, y los niveles de O2 volvieron a aumentar.

este caso, no se fija carbono. De la ribulosa 1,5-bifosfato resultan una PGA y una molécula de 2-fosfoglicolato (compuesto de dos carbonos). El fosfoglicolato termina por romperse en CO2. La producción de CO2 como resultado de la actividad de la rubisco se conoce como fotorrespiración, ya que se produce en presencia de la luz. Ésta da lugar a CO2 y utiliza O2. A diferencia de la respiración (véase Capítulo 9), la fotorrespiración no produce ATP. Ésta comienza con la actividad de la rubisco, y en ella participan cloroplastos, peroxisomas y mitocondrias. A

bajas concentraciones de CO2 y altas concentraciones de O2, predomina la función oxigenasa de la rubisco. De manera general, en los días claros y soleados, cuando la temperatura ronda los 25°C, el O2 puede reducir la tasa de fijación de CO2 por parte de la rubisco en un 33%. A medida que aumenta la temperatura, la tasa de fotorrespiración de muchos vegetales se iguala a la tasa de fotosíntesis. A temperaturas más elevadas, los vegetales comienzan incluso a cerrar sus estomas para prevenir la pérdida de agua. En consecuencia, penetra menor cantidad de

08_Capítulo

21/11/05

11:49

Página 215

CAPÍTULO 8

CO2 en la hoja, se libera menor cantidad de oxígeno y se produce la fotorrespiración. Ésta reduce el ritmo de crecimiento de muchos vegetales, especialmente en días claros y calurosos. De manera general, la fotorrespiración reduce la fijación neta de carbono, pues libera una gran cantidad de CO2 hacia la atmósfera, que, de otro modo, se fijaría en azúcares. En términos más familiares, es como si recogiéramos azúcar en una caja que tiene un agujero en su interior, por el que se escapa parte del azúcar. Al convertir de nuevo parte del carbono fijado en CO2, la fotorrespiración derrocha una fracción significativa del ATP y NADPH producidos por las reacciones luminosas. De forma indirecta y en términos de productividad, consume minerales, agua, luz y cualquier otro recurso necesario para la vida y reproducción del vegetal. En un medio en el que uno o más recursos escasean, un vegetal que despilfarra el 50% del carbono susceptible de fijación podría tener dificultades para sobrevivir por sí solo, y un vegetal más eficaz lo superaría fácilmente en la competencia por los recursos necesarios. La rubisco ha existido durante al menos dos mil millones de años y se convirtió en la enzima para la fijación de carbono en un momento en el que la atmósfera carecía de oxígeno libre o apenas tenía alguno. El hecho de que la enzima presente una función oxigenasa es un accidente histórico, que sólo adquirió importancia cuando la concentración de O2 se incrementó de forma gradual como resultado de la acción de los organismos fotosintéticos. Evidentemente, no hay mutación que cambie la enzima para eliminar la fotorrespiración sin perder la fijación de carbono, pues en la larga historia de la competencia y selección natural, seguramente tal mutación se habría producido. El vegetal resultante habría ostentado una ventaja selectiva enorme y habría conquistado rápidamente la mayoría de entornos (véase el cuadro Evolución en la página anterior). En un futuro, podría ser posible que la Ingeniería Genética diseñara una rubisco con muy poca oxigenasa o ninguna, con la consecuente doble eficacia fotosintética en los vegetales. Una computadora que pudiera simular el efecto de determinadas mutaciones en la estructura y función enzimáticas podría demostrar qué cambios específicos en los aminoácidos producirían la rubisco sin la función oxigenasa y con una potente función carboxilasa.

La ruta C4 limita la pérdida de carbono provocada por la fotorrespiración Recordemos que la fotosíntesis evolucionó primero en las bacterias y luego en las algas, en el agua, donde los niveles

◆

Fotosíntesis

215

de luz y temperatura predominantes eran moderados. En la tierra, los vegetales podrían haberse enfrentado a la ausencia de agua, mayores niveles de luz y temperaturas más extremas. Estas condiciones ambientales provocan el cierre de los estomas, que ayuda a las plantas a evitar la pérdida de agua, pero que, además, entorpece la fotosíntesis al impedir que el CO2 penetre en las hojas. Cuando los estomas se cierran, la concentración de CO2 en las hojas disminuye como resultado de la actividad del ciclo de Calvin, mientras que la concentración de O2 aumenta como resultado de las reacciones luminosas. En estas condiciones, la rubisco tiende a añadir O2 a otras moléculas en lugar de añadir CO2, provocando un aumento de la fotorrespiración y una disminución de la fotosíntesis. Los vegetales que consumen energía en la fotorrespiración también consumen recursos, como agua y nutrientes minerales. La selección natural favorecerá cualquier cambio que ayude a que la fotosíntesis pueda producirse en condiciones de calor y de sol intenso. Entre las plantas con flores, un número de Monocotiledóneas tropicales, así como algunas Dicotiledóneas, cuentan con un proceso sumado al ciclo de Calvin: la ruta C4. La ruta C4 une el CO2 en compuestos de cuatro carbonos, que se utilizan entonces para proporcionar una concentración incrementada de CO2 al ciclo de Calvin. Los científicos descubrieron la ruta C4 en la década de 1960, cuando advirtieron que el primer producto de la fijación de carbono en la caña de azúcar era una molécula de cuatro carbonos, de ahí el término C4 (véase Figura 8.12). La ruta C4 evita o limita la fotorrespiración, pues la enzima de fijación de carbono, conocida como PEP carboxilasa, fija únicamente CO2 y no O2. A diferencia de la rubisco, la PEP carboxilasa sigue enlazando el CO2 con compuestos de carbono, incluso cuando la concentración de CO2 en la hoja es exigua. Las plantas que presentan la ruta C4 se conocen como plantas C4, y son típicas de los Trópicos, de regiones áridas y de medios calurosos, secos y soleados. Las plantas que sólo llevan a cabo el ciclo de Calvin para la fijación de carbono se conocen como plantas C3. La mayoría de las plantas C4 presentan una anatomía foliar diferente a la de las plantas C3, una diferencia substancial para la realización de la ruta C4. En las plantas C3, el ciclo de Calvin se produce en todas las células fotosintéticas, mientras que, en las hojas de las plantas C4, se suele producir únicamente en las células envolventes del haz, que se muestran en forma de una prominente capa única o doble, que rodea cada nervio foliar (Figura 8.12a y b). Esta disposición en forma de anillo se suele denominar anatomía kranz (de la palabra ale-

08_Capítulo

21/11/05

216

11:49

Página 216

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

Células que llevan a cabo el ciclo de Calvin Células que llevan a cabo la ruta C4 (a) Hoja C3 Célula del mesófilo Cloroplasto Célula envolvente del haz Nervio Célula del mesófilo Célula del mesófilo

CO2

PEP Carboxilasa Oxaloacetato (4C)

PEP (3C)

Estoma

AMP Malato (4C)

ATP

(b) Hoja C4 Piruvato (3C)

Célula del mesófilo

Célula envolvente del haz

Cloroplasto Célula envolvente del haz

CO2 Ciclo de Calvin

Nervio

Célula del mesófilo

Azúcar Célula en el nervio Estoma

Figura 8.12.

(c) Ruta C4 y ciclo de Calvin

Ruta C4.

La ruta C4 enlaza CO2 con compuestos de cuatro carbonos, que se utilizan a continuación para proporcionar CO2 al ciclo de Calvin. (a) En las plantas C3, las células del mesófilo llevan a cabo el ciclo de Calvin. Las células envolventes del haz, si las hay, son de pequeño tamaño. (b) En las plantas C4, el ciclo de Calvin tiene lugar en células envolventes del haz visibles, que rodean cada nervio, mientras que las células del mesófilo llevan a cabo la ruta C4, aportando carbono a las células envolventes del haz que realizan el ciclo de Calvin. (c) En la ruta C4, la enzima que se encarga de fijar el carbono es la PEP carboxilasa. La ruta C4 en las células del mesófilo aporta grandes concentraciones de CO2 a las células envolventes del haz para el ciclo de Calvin.

mana kranz, que quiere decir «corona» o «halo»). Todas las células del mesófilo de una hoja C4 utilizan únicamente la ruta C4. Estas células del mesófilo alimentan las células envolventes del haz con el CO2 contenido en los compuestos orgánicos, donde se libera y vuelve a fijarse mediante el ciclo de Calvin. Por tanto, las células envolventes del haz poseen grandes concentraciones de CO2, lo que permite que la rubisco fije CO2 en lugar de O2.

Aparentemente, la ruta C4 evolucionó varias veces en las plantas. Se produce en más de 19 familias de plantas con flores. Numerosos cereales y otras gramíneas son plantas C4, pero la ruta también existe en algunas Dicotiledóneas. Como podemos ver en la Figura 8.12c, la enzima PEP carboxilasa fija CO2 en las células del mesófilo de las plantas C4. La mayor eficacia de esta enzima en la fijación de carbono es más apreciable cuando hay una baja concentra-

08_Capítulo

21/11/05

11:49

Página 217

CAPÍTULO 8

ta C3 y el CO2 procedente de la respiración de la planta C3. Antes de que transcurra mucho tiempo, la planta C4 florece, y la planta C3 muere. Si las plantas estuvieran en recipientes separados, ambas sobrevivirían. Otro ejemplo típico de cómo supera una planta C4 a una planta C3 se observa en la planta C4 digitaria (Digitaria sanguinalis), que crece más que otras hierbas C3 más deseables, como la poa de los prados (Poa pratensis), en días estivales calurosos y secos. La atmósfera terrestre presenta una concentración actual de CO2 de 365 partes por millón (ppm), o del 0,0365%. La tasa máxima de fotosíntesis de las plantas C4 es de unos 50 ppm (0,005%) de CO2. Incluso en días calurosos con una intensidad de luz elevada, la fotosíntesis alcanza tasas máximas en las hojas de estas plantas. Generalmente, las plantas C3 aumentan su tasa de fotosíntesis cuando la concentración de CO2 se eleva hasta 500 ppm (0,05%) y más, en algunos casos. Este aumento se debe al hecho de que el incremento de la concentración de CO2 en las hojas disminuye la tasa de fotorrespiración.

ción de CO2, momento en el que la rubisco tendería a unir O2 con otras moléculas. La PEP carboxilasa une bicarbonato con el PEP (fosfoenolpiruvato) para fabricar oxaloacetato. Este ácido de cuatro carbonos se suele convertir en malato mediante un proceso que utiliza NADPH de las reacciones luminosas. El malato, o aspartato en algunas plantas, se desplaza hacia el interior de las células envolventes del haz a través de los plasmodesmos. Éstas lo rompen en piruvato, un metabolito típico en las células, regenerando así el CO2 y el NADPH. El piruvato, o alanina en algunos vegetales, vuelve entonces a las células del mesófilo, donde el PEP es regenerado por la acción enzimática. La ruta C4 podría parecer un proceso relativamente ineficaz, pues se necesita ATP para convertir el piruvato en PEP, además de las tres moléculas de ATP utilizadas en el ciclo de Calvin. Pese a su ineficacia, la ruta C4, en combinación con el ciclo de Calvin, supera los resultados del ciclo de Calvin por sí solo en días calurosos y soleados en los que la fotosíntesis es rápida y la concentración de CO2 en las hojas puede disminuir (Figura 8.13). Cuando las temperaturas son más frías y aumenta la concentración de CO2, el ciclo de Calvin por sí solo (ruta C3) es más eficaz en términos energéticos, ya que necesita menos ATP. La eficacia relativa de las plantas C4 puede demostrarse mediante un experimento de competencia. Se coloca trigo (Triticum aestivum), una planta C3, en un recipiente cerrado en competencia con maíz (Zea mays), una planta C4. La PEP carboxilasa, o enzima C4, es mucho más eficaz en la fijación de carbono que la rubisco. Por consiguiente, la planta C4 absorbe la mayor parte del CO2 presente en el aire, el CO2 procedente de la fotorrespiración de la plan-

Las plantas CAM almacenan CO2 en un ácido C4 durante la noche para utilizarlo durante el día en el ciclo de Calvin Algunos vegetales presentan una variación de la ruta C4, denominada metabolismo ácido de crasuláceas (CAM), mediante el que toman CO2 durante la noche utilizando la ruta C4, y luego llevan a cabo el ciclo de Calvin durante el día (Figura 8.14). El nombre se debe a la familia de las Crasuláceas (Crassulaceae), plantas suculentas del desierto planta C4

planta C4

planta C4

0

200

400

600

800 1000 1200

Luz absorbida (µmol m–2 s–1)

Figura 8.13.

Tasa de fotosíntesis

planta C3

Tasa de fotosíntesis

Tasa de fotosíntesis

planta C3 planta C3

217

Fotosíntesis

◆

10

15

20

25

30

35

Temperatura (°C)

40

45

0

20

40

60

80

100

Concentración de CO2, Ca (Pa)

Las plantas C4 son más eficaces que las plantas C3.

Cuando la intensidad de la luz o la temperatura es alta, o cuando la concentración de CO2 es escasa, las plantas C4 son mucho más eficaces que las plantas C3 en la fotosíntesis y, por tanto, en la utilización del agua y minerales. Estas condiciones son típicas de los desiertos y praderas de clima templado.

08_Capítulo

21/11/05

218

11:49

Página 218

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

Célula del mesófilo

CO2

Ácido orgánico Ruta C4 CO2 Ciclo de Calvin

Azúcar Caña de azúcar (planta C4)

Célula envolvente del haz

(a) Las plantas C4, como la caña de azúcar, realizan la ruta C4 y el ciclo de Calvin simultáneamente durante el día. La ruta C4 se lleva a cabo en las células del mesófilo, mientras que el ciclo de Calvin se produce en las células envolventes del haz. CO2 Noche

Ácido orgánico

Día CO2 Ciclo de Calvin

Azúcar Piña (planta CAM)

Célula del mesófilo

(b)Las plantas CAM, como la piña, llevan a cabo la ruta C4 durante la noche, lo que permite la acumulación de ácidos orgánicos en la vacuola. Durante el día, estos ácidos orgánicos se utilizan para proporcionar CO2 al ciclo de Calvin. La ruta CAM permite a las plantas mantener los estomas cerrados en días calurosos y secos, mientras utilizan el CO2 acumulado durante la noche anterior para la fotosíntesis.

Figura 8.14.

Comparación entre las plantas C4 y las plantas CAM.

en las que se descubrió por primera vez el proceso. Al igual que las plantas C4, las plantas CAM habitan en regiones donde las altas temperaturas obligan a cerrar los estomas durante el día para evitar una pérdida excesiva de agua. Las plantas CAM y las plantas C4 se diferencian por el lugar y el momento en los que llevan a cabo la ruta C4 y el ciclo de Calvin. En las plantas C4, ambos procesos se producen simultáneamente, pero en lugares diferentes: la ruta C4 en las células del mesófilo, y el ciclo de Calvin en las células envolventes del haz (Figura 8.14a). Por el contrario, las plantas CAM realizan ambos procesos en las células del mesófilo, pero en diferentes momentos: la ruta C4 durante la noche y el ciclo de Calvin durante el día. Por la noche, cuando el ambiente es frío, las células del mesófilo utilizan la ruta C4 para unir temporalmente CO2 en malato en el interior de las vacuolas (Figura 8.14b). Durante el día, el malato se transfiere a los cloroplastos y se convierte en piruvato y CO2, activando el ciclo de Calvin. Durante el día, las plantas CAM utilizan de forma rápida el CO2 almacenado durante la noche, por lo que la producción general fotosintética es menor que en otras plantas. Al igual que la ruta C4, el CAM ha surgido en varias ocasiones en la evolución de las plantas. El medio idóneo para las plantas CAM cuenta con altas temperaturas durante el día, gran intensidad de luz y poca disponibilidad de agua. Actualmente, las CAM representan 18 familias vegetales o más, en su mayoría Dicotiledóneas. Algunos ejemplos de plantas no suculentas son las piñas y ciertas plantas vasculares sin semillas, incluidos algunos helechos.

Repaso de la sección 1. ¿Cuáles son las reacciones principales que se producen en el ciclo de Calvin? 2. Describe la diferencia entre las rutas C3 y C4. 3. Compara y contrasta las plantas C4 y las CAM.

RESUMEN Introducción a la fotosíntesis La fotosíntesis produce alimentos, bloques de construcción moleculares y O2, sustentando así la práctica totalidad de la vida sobre la Tierra (págs. 201-202) Las plantas, algas y bacterias fotosintéticas son fotoautótrofos y obtienen toda la energía a partir de la fotosíntesis. La mayo-

ría de los organismos no fotosintéticos son heterótrofos y dependen completamente de otros organismos para procurarse las moléculas orgánicas. La fotosíntesis proporciona los bloques de construcción de la vida y la sustenta al liberar oxígeno.

08_Capítulo

21/11/05

11:49

Página 219

CAPÍTULO 8

La fotosíntesis utiliza energía luminosa para convertir CO2 y H2O en azúcares (págs. 200-201) Las reacciones luminosas toman electrones del agua y utilizan la luz solar absorbida por la clorofila para energizarlos. La energía solar se utiliza primero para producir ATP, y luego para depositar electrones ricos en energía en el NADPH. La clorofila y otras moléculas receptoras de luz se encuentran en los tilacoides de los cloroplastos. El ciclo de Calvin utiliza el ATP y NADPH de las reacciones luminosas, así como CO2, para producir azúcares de tres carbonos. Los procesos de fotosíntesis y respiración son interdependientes (págs. 203-204) En la fotosíntesis, el Sol energiza los electrones del H2O, y éstos se unen al CO2 para formar azúcares. En la respiración, los carbonos de los azúcares se utilizan para fabricar CO2, mientras que la energía del azúcar se transfiere al ATP y los electrones, desprovistos de energía, se añaden al O2 para producir H2O.

La conversión de energía solar en energía química se produce mediante reacciones luminosas La clorofila es la molécula principal para la absorción de luz durante la fotosíntesis (págs. 204-206) La clorofila y otros pigmentos que absorben la luz se encuentran en el interior de las membranas tilacoides de los cloroplastos. La clorofila utiliza luz azul y roja, pero transmite la verde. La energía luminosa promueve la fotosíntesis en zonas denominadas fotosistemas (págs. 206-207) La energía solar energiza los electrones presentes en la clorofila dentro de unidades de recogida de luz, denominadas fotosistema I y fotosistema II. Estos fotosistemas se sitúan por todas las membranas tilacoides de manera repetida. Las reacciones luminosas capturan cerca de una tercera parte de la luz solar que absorbe la clorofila. Las reacciones luminosas producen O2, ATP y NADPH (págs. 207-209) En las reacciones luminosas, el flujo de electrones se dirige primero del agua a la molécula de clorofila a en el fotosistema II, donde se energiza el electrón y se transfiere a un receptor. El electrón pierde energía gradualmente, que es transferida al ATP. El electrón desprovisto de energía se transfiere a una clorofila en el fotosistema I, donde se energiza y se transfiere al NADPH. En las reacciones luminosas, el ATP se sintetiza utilizando energía de la ósmosis química (págs. 207-208) Entre el fotosistema II y el fotosistema I, una cadena de transporte de electrones utiliza la energía luminosa para bombear iones de H+ a través de la membrana tilacoide. Algunos iones de H+ liberan energía al retroceder a través de la membrana tilacoide y a través de la enzima ATP sintasa, un proceso denomi-

◆

Fotosíntesis

219

nado ósmosis química. La ATP sintasa utiliza la energía de la ósmosis química para producir ATP mediante fosforilación.

La conversión del CO2 en azúcares se produce a través del ciclo de Calvin El ciclo de Calvin utiliza el ATP y NADPH de las reacciones luminosas para obtener fosfatos de azúcar a partir de CO2 (págs. 211-213) El ciclo de Calvin, que se produce en el estroma de los cloroplastos, utiliza CO2 del aire y ATP y NADPH de las reacciones luminosas, para producir azúcares. Después de tres recorridos del ciclo, se ha añadido suficiente CO2 para producir una molécula de G3P, que se utiliza a su vez para fabricar otros azúcares. El ciclo de Calvin es relativamente ineficaz en la conversión de CO2 en azúcares (págs. 213) La máxima eficacia teórica de la fotosíntesis en la síntesis de azúcares es de un 35%, pero la eficacia real está entre un 1% y un 4%, en parte debido a que el ciclo de Calvin podría gastar hasta la mitad del carbono que fija. La enzima rubisco funciona también como una oxigenasa, lo cual da lugar a la fotorrespiración (págs. 213-215) Rubisco, la enzima para la fijación de carbono en el ciclo de Calvin, es la proteína más abundante de la Tierra. Con una temperatura elevada y una concentración de CO2 baja, la rubisco enlaza el oxígeno. Cuando se enlaza oxígeno, no se fija carbono y se liberan dos carbonos en forma de CO2, un proceso denominado fotorrespiración. En días claros y calurosos, la rubisco puede ser responsable de la pérdida de carbono tanto como lo es en otras circunstancias de su fijación. La ruta C4 limita la pérdida de carbono provocada por la fotorrespiración (págs. 189-191) La ruta C4 añade CO2 a un compuesto de tres carbonos para producir un oxaloacetato de cuatro carbonos. La anatomía de una planta C4 cede la labor de la ruta C4 a las células del mesófilo, y la de la ruta C3 a las células envolventes del haz, que rodean los haces vasculares foliares. El malato de las células se mueve hacia el interior de las células envolventes del haz, donde se rompe en piruvato y CO2. Por tanto, se aporta una elevada concentración de CO2 al ciclo de Calvin, reduciendo la fotorrespiración. Las plantas C4 son especialmente eficaces en días calurosos y soleados, en los que la concentración de CO2 en las hojas es escasa y la concentración de O2 es alta. Las plantas CAM almacenan CO2 en un ácido C4 durante la noche para utilizarlo durante el día en el ciclo de Calvin (págs. 217-218) Algunas plantas suculentas desérticas presentan una variación de la ruta C4, que se denomina metabolismo ácido de crasuláceas (CAM). Al tomar CO2 durante la noche mediante la ruta C4 y utilizarlo en el ciclo de Calvin durante el día, pueden mantener los estomas cerrados durante los días calurosos.

08_Capítulo

21/11/05

220

11:49

Página 220

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

Cuestiones de repaso 1. ¿Por qué es importante la fotosíntesis para la vida en el planeta? 2. Explica por qué la fotosíntesis y la respiración son interdependientes. 3. Describe la labor de la clorofila en la fotosíntesis. 4. Describe cómo captura un fotosistema la energía luminosa. 5. ¿Cuáles son los productos resultantes de las reacciones luminosas y del ciclo de Calvin? 6. ¿Por qué las reacciones luminosas y el ciclo de Calvin son interdependientes? 7. Describe la ruta de un electrón a través de las reacciones luminosas. ¿Dónde comienza y dónde termina cada electrón? 8. Explica cómo se sintetiza ATP durante las reacciones luminosas. 9. ¿De qué manera el ciclo de Calvin provee bloques de construcción para fabricar moléculas más complejas? 10. Explica por qué el proceso de fabricación de fosfatos de azúcar es un ciclo. 11. Explica de qué forma está implicada la rubisco en la fotorrespiración. 12. ¿Qué diferencia hay entre una oxigenasa y una carboxilasa? 13. ¿En qué se diferencia la anatomía de una hoja C3 de la de una hoja C4? 14. ¿Qué tipo de medios favorece la existencia de plantas C4? ¿Por qué? 15. Compara y contrasta las plantas C4 y las plantas CAM.

Cuestiones para reflexionar y debatir 1. ¿Qué formas de vida crees que habrían existido 6.000 millones de años después de la formación de la Tierra si no se hubiera desarrollado la fotosíntesis? ¿Qué formas de vida prevés que existirían si los organismos fotosintéticos fuesen los únicos que evolucionaran? 2. Imagina que la Tierra se calienta y presenta una enorme concentración de CO2 jamás alcanzada durante los próximos 500 millones de años. ¿Qué tipo de vegetales podrían evolucionar? 3. Si un asteroide impactase sobre la Tierra, provocando una densa nube de polvo que disminuyese la tasa de fotosíntesis en un 90%, ¿qué repercusiones inmediatas y a lar-

go plazo crees que habría en las poblaciones de animales y vegetales? 4. Imagina que eres el dueño de un invernadero que produce verduras y hortalizas. ¿Sería rentable que aumentaras la concentración de CO2 en la atmósfera del invernadero? Justifica tu respuesta. 5. Algunos estudios científicos han revelado que al pulverizar metanol (CH2OH) sobre las plantas se incrementa la fijación de carbono en la fotosíntesis. ¿Qué es lo que sucede? 6. A partir del estudio de la entrada y salida de CO2, O2, H2O, ATP, NADPH y glucosa, dibuja un diagrama de flujo que ilustre la interdependencia de la respiración, las reacciones luminosas de la fotosíntesis y las reacciones de fijación de carbono (ciclo de Calvin) con la fotosíntesis. Sugerencia: comienza dibujando tres rectángulos uno al lado del otro y titúlalos, de izquierda a derecha, «reacciones luminosas», «ciclo de Calvin» y «respiración». A continuación, puedes indicar los procesos que se producen dentro de cada cuadro y los productos químicos que fluyen de un cuadro al otro, interconectando los procesos.

Conexión evolutiva Los biólogos sostienen que los primeros organismos vivos de la Tierra, hace entre 3.800 y 4.000 millones de años, eran quimioheterótrofos que utilizaban las moléculas orgánicas formadas en la atmósfera terrestre y en los océanos mediante procesos químicos no biológicos, y que la fotosíntesis evolucionó más tarde, cuando el suministro de estos compuestos orgánicos se vio mermado. De acuerdo con tus conocimientos sobre los procesos implicados, ¿crees que primero evolucionó la fotofosforilación no cíclica y después la cíclica, o a la inversa? Razona y defiende tu respuesta.

Para saber más Hessayon, G. D. Plantas de interior. Manual de cultivo y conservación. Barcelona: Editorial Blume, 1982-1985. El secreto para que las plantas de interior estén felices es una correcta iluminación. Hobhouse, Henry. Seeds of Change: Five Plants That Transformed Mankind. New York: HarperCollins Publishers, 1999. La caña de azúcar es una de estas cinco influyentes plantas.

09_Capítulo

21/11/05

11:51

Página 221

9 Respiración

«Col fétida» (Lysichiton americanum).

Introducción a la nutrición Todos los seres vivos necesitan fuentes de energía y de carbono Las plantas utilizan la fotosíntesis para almacenar la energía luminosa, en forma de azúcares, y la respiración para transferir la energía de los azúcares al ATP La ruptura del azúcar para liberar energía puede producirse con o sin oxígeno

Respiración La glicólisis divide cada azúcar de seis carbonos en dos moléculas de piruvato

El ciclo de Krebs genera CO2, NADH, FADH2 y ATP La cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa transfieren la energía de los electrones ricos en energía del NADH y FADH2 al ATP La respiración presenta un elevado rendimiento energético En algunos vegetales, la cadena de transporte de electrones puede generar un exceso de calor Los vegetales, a diferencia de los animales, pueden convertir los ácidos grasos en glucosa

Fermentación En ausencia de oxígeno, el piruvato generado por la glicólisis se convierte en etanol o lactato Algunas industrias importantes dependen de la fermentación La fermentación presenta un rendimiento energético bajo, en comparación con la respiración

09_Capítulo

21/11/05

222

11:51

Página 222

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

a energía es esencial para llevar a cabo las funciones bioquímicas y fisiológicas necesarias para la vida, tanto para construir los organismos, como para mantenerlos. No en vano, los organismos vivos son islas de orden en un universo que, en general, cada vez es más desordenado. Los organismos vivos utilizan ATP y transportadores de energía, como NADH, NADP y FADH2, para facilitar las reacciones químicas. Los organismos no fotosintéticos dependen de los organismos fotosintéticos para procurarse las moléculas orgánicas que pueden romperse para obtener la energía. En la fotosíntesis, los vegetales fabrican ATP en las reacciones luminosas, el cual utilizan en su totalidad en el ciclo de Calvin. En consecuencia, aunque los vegetales y otros organismos fotosintéticos puedan fabricar su propio alimento, han de romper además ese alimento para producir ATP y transportadores de electrones, ambos necesarios para construir y mantener su estructura. A diferencia de la fotosíntesis, que precisa luz y, por tanto, se produce durante el día, la ruptura del azúcar y otras moléculas relativas para la obtención de energía metabólica puede producirse en cualquier momento. El medio puede influir considerablemente en la cantidad de energía metabólica que un organismo debe utilizar para sobrevivir. Como resultado de su composición bioquímica, los organismos vivos pueden tolerar sólo un rango limitado de temperaturas. Numerosos medios presentan temperaturas estacionales extremas, por encima o por debajo de las que son óptimas para la vida. Un abanico de diferentes estructuras, mecanismos fisiológicos y comportamientos han evolucionado para permitir a los organismos sobrevivir en presencia de temperaturas extremas. Como aprenderemos en este capítulo, el proceso de ruptura del azúcar para transferir la energía al ATP no es del todo eficiente. Siempre se pierde parte de la energía en forma de calor. Algunos animales, como los mamíferos y las aves, mantienen una temperatura corporal constante, reteniendo este calor, y utilizan el pelaje, las plumas y la grasa corporal como materiales aislantes. Cuando las condiciones son muy frías, producen una cantidad de calor corporal mayor rompiendo más azúcar y, a su vez, el ATP resultante. En algunos casos, utilizan una ruta alternativa para romper el azúcar, al tiempo que liberan toda la energía en forma de calor. A diferencia de los mamíferos y aves, la temperatura de los vegetales, así como la de los reptiles, anfibios y peces, se asemeja a la del medio circundante. Dichos organismos son mucho menos activos a la hora de utilizar la energía metabólica para controlar la temperatura. Por ejemplo, los vegetales detienen la fotosíntesis y la respiración cuando las temperaturas son muy frías. Pueden perder sus hojas e, incluso, entrar en un estado de dormancia, durante el cual el metabolismo es más lento o se suspende hasta que se reestablece la temperatura adecuada. Aunque los vegetales no mantienen una temperatura vegetal constante, unos pocos pueden mantener una temperatura considerablemente más caliente que la del aire que los rodea generando calor en lugar de producir ATP. Algunas especies vegetales utilizan el calor para derretir la nieve y el hielo, lo que permite que el vegetal se beneficie de los días soleados, pero fríos, del comienzo de la primavera. En otras plantas, como el falo amorfo titánico, el calor evapora moléculas olorosas presentes en las flores, atrayendo así a determinados organismos polinizadores. El falo amorfo titánico y otras «plantas calientes» son ejemplos poco frecuentes de cómo los vegetales utilizan la energía producida por la respiración. En este capítulo, examinaremos cómo los vegetales utilizan la respiración para obtener ATP y calor de los azúcares producidos en la fotosíntesis, así como de otros compuestos orgánicos. Durante la respiración, estas moléculas orgánicas se rompen en CO2 y H2O en presencia de oxígeno, liberando energía que bien se transfiere al ATP, bien se emite en forma de calor. Un falo amorfo titánico indonesio (Amorphophallus titanum) en el jardín También estudiaremos una ruta metabólica alternativa, conocida como fermentación, que ocasionalmente se produce en las plantas y en otros organismos en ausencia de oxígeno. botánico británico de Kew Gardens.

L

09_Capítulo

21/11/05

11:51

Página 223

CAPÍTULO 9

Introducción a la nutrición Los procesos mediante los cuales un organismo toma y utiliza sustancias alimenticias se conocen en conjunto como nutrición. Una vez que se produce el alimento, ha de romperse mediante una serie de reacciones bioquímicas, con el fin de liberar la energía que contiene. En los vegetales, animales y hongos, la respiración es el proceso que rompe los azúcares en CO2 y H2O, en presencia de oxígeno, al tiempo que utiliza la energía liberada para fabricar ATP y calor.

Todos los seres vivos necesitan fuentes de energía y de carbono Los organismos necesitan carbono y energía para crear compuestos orgánicos, los cuales forman la base estructural y energética de la vida tal y como la conocemos. Según la fuente de carbono que utilicen, los organismos pueden clasificarse en autótrofos o heterótrofos (Tabla 9.1). Las plantas son organismos autótrofos, que obtienen el carbono del CO2 y lo utilizan para fabricar sus propios compuestos orgánicos. Los animales son organismos heterótrofos, que han de obtener el carbono consumiendo compuestos orgánicos de otros organismos. Tanto los seres autótrofos como los heterótrofos pueden clasificarse, a su vez, según la fuente de energía que utilizan. Las plantas y la mayoría del resto de los organismos autótrofos y fotosintéticos son conocidos como fotoautótrofos, pues obtienen la energía de la luz. Los autótrofos no fotosintéticos, que engloban unos pocos tipos de procariotas, se conocen como quimioautótrofos, pues obtienen la energía de compuestos químicos inorgánicos, y no de la luz. La mayor parte de los heterótrofos, incluidos los seres humanos, obtienen la energía y el carbono a partir de

◆

Respiración

223

compuestos orgánicos, lo que significa que somos quimioheterótrofos. Algunos heterótrofos, entre los cuales se encuentran unos pocos tipos de procariotas, son fotoheterótrofos, es decir, obtienen la energía de la luz, pero el carbono a partir de compuestos orgánicos. Además del carbono, la mayoría de los organismos, ya sean autótrofos o heterótrofos, necesitan nutrientes minerales y moléculas orgánicas específicas, como las vitaminas. Con todo, sólo las plantas y otros organismos autótrofos son capaces de fabricar sus propias moléculas orgánicas.

Las plantas utilizan la fotosíntesis para almacenar la energía luminosa, en forma de azúcares, y la respiración para transferir la energía de los azúcares al ATP Al igual que todos los organismos, las plantas y otros organismos fotosintéticos llevan a cabo la respiración. La Figura 9.1 nos proporciona un esquema de la relación entre la fotosíntesis y la respiración. La relación general entre ambos procesos puede describirse de la siguiente manera: ◆

◆

◆

Las plantas y otros organismos fotosintéticos recogen la energía solar para fabricar ATP y NADPH. Estas reacciones constituyen las reacciones luminosas de la fotosíntesis. Dichos organismos utilizan la energía del ATP y los electrones ricos en energía del NADPH para convertir el CO2 en azúcares. Estas reacciones constituyen las reacciones del ciclo de Calvin de la fotosíntesis. Los azúcares resultantes de la fotosíntesis se combinan con minerales del suelo para fabricar un gran número de diferentes moléculas orgánicas, que se utilizan como fuente de energía y como fuente de componentes estructurales, como los esqueletos de carbono.

Tabla 9.1. Fuentes de energía y carbono en los organismos Tipo de nutrición Autótrofo Fotoautótrofo Quimioautótrofo Heterótrofo Fotoheterótrofo Quimioheterótrofo

Fuente de energía

Fuente de carbono

Tipos de organismos

Luz CO2 Compuestos inorgánicos CO2

Procariotas, plantas y algas fotosintéticos Algunos procariotas

Luz Compuestos orgánicos

Algunos procariotas Numerosos procariotas y protistas, hongos, animales, algunas plantas parásitas

Compuestos orgánicos Compuestos orgánicos

09_Capítulo

21/11/05

224

11:51

Página 224

UNIDAD DOS

◆

Respiración

Fotosíntesis Luz + energía + CO2 + H2O

Funciones de las plantas

ATP + CO2 + H2O

Azúcares + O2

Minerales del suelo

Moléculas orgánicas (a) Resumen de la relación entre la fotosíntesis y la respiración. La fotosíntesis comienza con dióxido de carbono y agua, y la respiración finaliza con los mismos compuestos.

Energía solar

Azúcares + O2

Fotosíntesis en el cloroplasto

CO2 del aire

CO2 + H2O Respiración en la mitocondria ATP (La energía del ATP se utiliza para impulsar la mayor parte del trabajo celular, como la síntesis de moléculas orgánicas. La energía también abandona el vegetal en forma de calor.)

(b) Localización de la respiración y la fotosíntesis en las células vegetales. En las plantas, la fotosíntesis se produce en los cloroplastos, mientras que la respiración se produce en las mitocondrias.

Figura 9.1.

◆

Esquema de la respiración y la fotosíntesis.

Si hay oxígeno disponible, el proceso de la respiración convierte algunos de los azúcares producidos por la fotosíntesis en CO2 y H2O, al tiempo que se libera energía en forma de calor o se transfiere al ATP.

El resultado neto de los procesos de la fotosíntesis y la respiración es la transferencia de energía luminosa al ATP y a varias moléculas orgánicas en forma de energía química. Al igual que en la fotosíntesis, la síntesis de ATP durante la respiración implica que se produzca la fosforilación, es decir, la adición de un grupo fosfato a una molécula. En el caso de la síntesis de ATP, la fosforilación es la adición de un fosfato inorgánico (Pi) a una molécula de ADP, para obtener ATP. La síntesis de ATP puede producirse de varias maneras. La síntesis de ATP que se produce durante la fotosíntesis se denomina fotofosforilación, porque es impulsada por energía luminosa. Esto es, la energía luminosa estimula el flujo de electrones a través de una cadena de transporte de electrones, que provoca el movimiento de iones de hidrógeno (H
) a través de la membrana. Dicho movimiento se conoce como ósmosis química. La enzima ATP sintasa utiliza entonces la energía de la ósmosis química para fabricar ATP. En la respiración, el ATP se sintetiza mediante otros dos tipos de fosforilación: fosforilación a nivel de substrato y fosforilación oxidativa. En la fosforilación a nivel de substrato, una enzima transfiere un grupo fosfato de una molécula fosfatada al ADP, produciendo ATP (Figura 9.2a). Este tipo de fosforilación se denomina así debido a que en ella participa una enzima que actúa sobre dos substratos: una molécula de ADP y otra molécula fosfatada. La ósmosis química y la ATP sintasa no participan de dicha fosforilación, por lo que ésta puede producirse en presencia o en ausencia de oxígeno. La fosforilación oxidativa es bastante similar a la fotofosforilación, en tanto participan en ella una cadena de transporte de electrones, la ósmosis química, ATP sintasa y oxígeno (Figura 9.2b). No obstante, en la fosforilación oxidativa es la energía del NADH, y no la luminosa, la que estimula el flujo de electrones para la síntesis de ATP mediante ósmosis química. El proceso se denomina fosforilación oxidativa porque comienza con oxidación, o pérdida de electrones. De manera específica, el NADH pierde electrones, que pasan a la cadena de transporte de electrones, iniciando así el flujo de energía que impulsa en última instancia la síntesis de ATP.

La ruptura del azúcar para liberar energía puede producirse con o sin oxígeno En los vegetales, así como en todos los eucariotas restantes y en algunos procariotas, la ruptura de azúcares para la obtención de energía en forma de ATP sigue una de entre

09_Capítulo

21/11/05

11:51

Página 225

CAPÍTULO 9

Alta concentración de H+

H+

ADP

H+

H+

ATP Adenosín

P

P

P

P

Adenosín

P

P

+

Nueva molécula orgánica

Productos

(a) Fosforilación a nivel de substrato. En la síntesis de ATP mediante fosforilación a nivel de substrato, una enzima transfiere un fosfato de una molécula de substrato al ADP, formando así ATP. Puesto que este proceso sólo depende de la acción enzimática, puede producirse con o sin oxígeno.

Figura 9.2.

ATP sintasa

Membrana 2 e–

H+

NADH

Molécula orgánica con grupo fosfato

H+ H+ La sintasa ATP utiliza la energía de la ósmosis química para fabricar ATP.

Cadena de transporte de electrones

Electrones del NADH

Enzima

Substratos

H+

H+

H+

225

Respiración

H+

H+ H+

◆

Baja concentración de

ADP + P H+

ATP

i

H+

(b) Fosforilación oxidativa. En la fosforilación oxidativa, la ATP sintasa produce ATP utilizando la energía de la ósmosis química —el flujo de iones de hidrógeno (H+) de una región de concentración elevada a una de concentración baja—.

Síntesis de ATP mediante fosforilación a nivel de substrato y fosforilación oxidativa.

dos rutas generales. Una ruta es aeróbica, lo que quiere decir que utiliza oxígeno. La otra es anaeróbica, lo que significa que no utiliza oxígeno. Ambas rutas comienzan con una serie de reacciones enzimáticas anaeróbicas, que en conjunto se conocen como glicólisis (glucólisis), la cual tiene lugar en el citosol (parte fluida del citoplasma celular). La glicólisis rompe un azúcar de seis carbonos en dos moléculas de piruvato, además de producir ATP y NADPH. La respiración es la ruta aeróbica, en la que las células en última instancia necesitan oxígeno, cuando rompen las moléculas y convierten la energía en ATP. Este proceso, que se produce en el interior de las células, se suele denominar respiración celular, para distinguirla de la respiración referida al suministro de oxígeno a las células, como en el caso de la respiración de los animales. No obstante, en términos científicos, cuando decimos respiración nos referimos estrictamente a la respiración celular. La respiración comienza con la glicólisis en el citosol de la célula. El piruvato producido por la glicólisis pasa entonces al interior de la mitocondria, donde se rompe para formar un compuesto denominado acetil coenzima A, o acetil CoA (Figura 9.3). A continuación, el acetil CoA se rompe para proporcionar fragmentos de dos carbonos,

que pasan a la fase de la respiración conocida como ciclo de Krebs. El ciclo de Krebs genera ATP mediante fosforilación a nivel de substrato. Además, proporciona los transportadores de electrones NADH y FADH2 a la última fase de la respiración, que consiste en una cadena de transporte de electrones, y síntesis de grandes cantidades de ATP mediante fosforilación oxidativa. Por definición, el término respiración se refiere al proceso productor de energía que utiliza oxígeno. En realidad, sólo la cadena de transporte de electrones necesita oxígeno de forma directa. No obstante, el ciclo de Krebs no puede producirse si no hay oxígeno disponible para la cadena de transporte de electrones. Si no hay oxígeno, las moléculas orgánicas se rompen mediante la ruta anaeróbica, conocida como fermentación, la cual se produce al completo en el interior del citosol. En la fermentación, el piruvato se convierte en etanol o lactato, dependiendo del organismo. El proceso de fermentación lo llevan a cabo enzimas en ausencia de cadena de transporte de electrones, y el único ATP producido es la pequeña cantidad generada en la glicólisis (véase el cuadro Biología de la conservación en la página 225).

09_Capítulo

21/11/05

226

11:51

Página 226

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

Electrones transportados por NADH Electrones transportados por NADH y FADH2

Glicólisis (en el citosol)

(Oxígeno presente) Piruvato

Ciclo de Krebs

Piruvato

(Oxígeno ausente)

Acetil CoA

Cadena de transporte de electrones Fosforilación oxidativa

Fermentación (en el citosol) Mitocondria

ATP

Figura 9.3.

ATP

ATP

Esquema de la producción de ATP en la respiración y en los procesos relacionados.

La glicólisis se lleva a cabo en el citosol de la célula y produce una pequeña cantidad de ATP. Si hay oxígeno, se produce la respiración. En primer término, el piruvato procedente de la glicólisis pasa a las mitocondrias. Dentro de las mitocondrias, tienen lugar las siguientes fases de la respiración: conversión del piruvato en acetil CoA, ciclo de Krebs, cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa. El ciclo de Krebs produce una pequeña cantidad de ATP. La máxima producción de ATP procede de la fosforilación oxidativa, impulsada por la ósmosis química. Si no hay oxígeno, el piruvato resultante de la glicólisis sufre un proceso de fermentación, y el único ATP que se obtiene es esa pequeña cantidad generada en la glicólisis.

Repaso de la sección 1. Explica de qué manera difieren los organismos en el tipo de nutrición. 2. Describe la relación que existe entre la fotosíntesis y la respiración. 3. ¿En qué se diferencian la fosforilación a nivel de substrato y la fosforilación oxidativa? 4. ¿Cuál es la diferencia entre respiración y fermentación?

Respiración La respiración suele describirse teniendo en cuenta la glicólisis, el ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones asociada a la fosforilación oxidativa. A continuación, describiremos la glicólisis en relación con la respiración, pues en los vegetales y en la mayoría del resto de los organismos, la respiración es más frecuente que la fermentación. Con todo, debemos tener en cuenta que la glicólisis es igualmente necesaria en la respiración y en la fermentación.

La glicólisis divide cada azúcar de seis carbonos en dos moléculas de piruvato El término glicólisis (del griego glyco, «dulce» o «azúcar», y lysis, «división»), refleja el hecho de que el proceso implica dividir los azúcares de seis carbonos en dos moléculas de piruvato, una molécula de tres carbonos (Figura 9.4). La glicólisis sigue una serie de diez reacciones, cada una catalizada por una enzima específica. Las reacciones de la glicólisis parecen una cadena de montaje, en la que las enzimas funcionan como puntos de control metabólico. Si la actividad de una enzima se ralentiza o detiene al sufrir una inhibición, sucede igual con la cadena de montaje entera. Un buen ejemplo es la fosfofructoquinasa, la enzima que cataliza la conversión de fructosa-6-fosfato en fructosa-1,6-bifosfato. Una molécula de ATP se rompe para proporcionar la energía y el fosfato obtenidos de esta reacción. Los inhibidores de la fosfofructoquinasa contienen moléculas de compuestos como ATP, que indican que la célula posee un buen suministro de energía. Los activadores de la fosfofructoquinasa comprenden moléculas de compuestos como

09_Capítulo

21/11/05

11:51

Página 227

CAPÍTULO 9

BIOLOGÍA

D E

L A

◆

Respiración

227

C O NSE RVA C I Ó N

Calentamiento global y el efecto invernadero os organismos vivos tienen base de carbono, consistente en moléculas orgánicas, con estructuras de carbono fabricadas originalmente por los vegetales en la fotosíntesis. Como sabemos, la respiración rompe la glucosa y otros azúcares en CO2 y transfiere la energía al ATP. De hecho, cuando algún material de origen orgánico sufre una combustión, ya sea metabólica o causada por fuego, el carbono se convierte en CO2. La quema de grandes cantidades de combustibles fósiles emite a su vez grandes cantidades de CO2 hacia la atmósfera. Incluso antes de la llegada de la civilización, se emitía CO2 hacia la atmósfera como resultado de la actividad volcánica y de los incendios forestales. Con todo, la civilización ha incrementado la emisión de CO2 con la quema de combustibles fósiles. A lo largo del siglo pasado, los científicos observaron la creciente concentración atmosférica de CO2 y advirtieron un aumento de las temperaturas medias.

L

0,90

380

0,75

370

0,60

360

0,45

Variación de la temperatura (°C) (

390

Los científicos argumentan que las temperaturas pueden estar aumentando debido a lo que se conoce como efecto invernadero. Esta teoría sugiere que los gases acumulados en la atmósfera, como el CO2, impiden que el calor se difunda hacia el espacio. En lugar de esto, el calor se refleja y vuelve hacia la superficie terrestre, elevando las temperaturas, de manera similar al modo en que un invernadero retiene el calor. Los científicos muestran su preocupación sobre la perspectiva de un calentamiento global continuo como resultado de esto. Señalan que, en este escenario, los casquetes polares se derretirían, incrementando el nivel de los océanos, y las ciudades costeras podrían acabar inundándose. Indudablemente, las consecuencias del efecto invernadero y del calentamiento global son complejas. Aparte de la contribución humana al calentamiento global, algunos científicos opinan que las temperaturas altas podrían alternarse de manera natural con temperaturas bajas en un ciclo de cientos de miles de años. Imaginemos el siguiente escenario, propuesto por algunos investigadores: ◆ A medida que la concentración de CO2 y la

ADP, que revelan que la célula podría no tener suficiente ATP. Por cada molécula de glucosa que experimenta glicólisis, se utilizan dos moléculas de ATP para llevar a cabo las reacciones, y se producen cuatro moléculas de ATP, con lo que el resultado neto es de dos moléculas de ATP. Entretanto, se forman dos moléculas de NADH. El hecho de que la glicólisis produzca ATP y NADH nos indica que dos pi-

ruvatos contienen menos calorías que una glucosa, lo que puede confirmarse utilizando un calorímetro. La glicólisis genera una cantidad aparentemente exigua de ATP y NADPH para una serie de reacciones tan larga. No obstante, las reacciones también producen compuestos intermedios que son fuente importante de moléculas orgánicas para varios procesos celulares. La glicólisis proporciona azúcares para fabricar sacarosa, la forma principal de azú-

Concentración de CO2 (

)

Este gráfico muestra el incremento constante de CO2 atmosférico (en azul) y una tendencia general de calentamiento (en rojo) desde 1958.

temperatura aumentan, también lo hace la fotosíntesis. La rubisco es muy eficaz en presencia de altas concentraciones de CO2, y las temperaturas más elevadas estimulan el crecimiento de los vegetales de regiones templadas, e incluso subpolares. ◆ Como resultado del incremento global de la fotosíntesis, la concentración de CO2 en la atmósfera disminuye, lo que a su vez hace que las temperaturas bajen y que la fotosíntesis global descienda. Los casquetes polares vuelven a aumentar de tamaño, y la climatología mundial se torna más fría. ◆ Las temperaturas más bajas provocan que los vegetales vuelvan a morir. Las bacterias degradan los vegetales, liberando otra vez una cantidad considerable de CO2 hacia la atmósfera mediante la respiración. Por supuesto, esto causa un nuevo efecto invernadero, y el ciclo completo comienza de nuevo.

0,30

350 CO2

340

0,15 0

330 Temperatura

320

–0,15

) –0,30

310 300

1960

1970

1980

1990

–0,45 2000

Año

09_Capítulo

21/11/05

228

11:51

Página 228

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

Carbono

Glucosa Glicólisis

ATP ADP Grupo fosfato

Glucosa-6-fosfato P

Fructosa-6-fosfato

Fase de consumo de energía Se consumen dos moléculas de ATP, añadiendo grupos fosfato a las moléculas mediante dos reacciones de fosforilación a nivel de substrato. Una reacción produce un fosfato de azúcar de 6 carbonos, con un grupo fosfato. La segunda reacción da origen a un fosfato de azúcar de 6 carbonos, con dos grupos fosfato. A continuación, esta molécula se divide en dos fosfatos de azúcar de 3 carbonos, mediante la reacción de división del azúcar a la que la glicólisis debe su nombre. Cada fosfato de azúcar de 3 carbonos pasa entonces a la fase de generación de energía.

P ATP ADP Fructosa-1,6-bifosfato P

P

Dihidroxiacetona fosfato

Gliceraldehído-3-fosfato (G3P)

P NAD+ Fase de generación de energía Las reacciones redox producen H+ + NADH un NADH a partir de cada fosfato de azúcar de 3 carbonos, con un total de dos NADH por cada glucosa. En las reacciones de fosforilación a nivel de substrato, las enzimas transfieren fosfatos de los fosfatos ADP de azúcar a 4 ADP, formando 4 ATP. Puesto que la fase de consumo ATP de energía utilizó 2 ATP, la producción neta es de 2 ATP por glucosa.

P (Se convierte en G3P)

NAD+ NADH + H+

1,3-bifosfoglicerato P

P

P

P ADP ATP

3-fosfoglicerato P

P

2-fosfoglicerato P

P

H2O

H2O Fosfoenolpiruvato (PEP)

Figura 9.4.

P

Glicólisis.

La glicólisis es el primer paso, tanto de la fermentación como de la respiración. Por cada molécula de glucosa que experimenta glicólisis, se producen dos piruvatos, cuatro moléculas de ATP y dos moléculas de NADH. La producción neta de ATP es de dos moléculas de ATP por cada glucosa.

P

ADP

ADP ATP

ATP Piruvato

Piruvato (2 moléculas)

09_Capítulo

21/11/05

11:51

Página 229

CAPÍTULO 9

car transportada desde las hojas hacia otras partes del vegetal. Asimismo, los polisacáridos que colaboran en la formación de las paredes celulares se originan en la glicólisis. La glicólisis también proporciona estructuras de carbono para la síntesis de ácidos nucleicos, algunos aminoácidos y lignina, así como el glicerol utilizado en la síntesis de lípidos.

LAS

PLANTA S

Y

◆

Respiración

229

Los científicos consideran que los organismos primitivos, procariotas que evolucionaron por primera vez hace unos 3.500 millones de años, podrían haber producido ATP sólo mediante glicólisis. Probablemente, la respiración no evolucionó hasta que una cantidad significativa de oxígeno se acumuló en la atmósfera hace unos 2.700 millones de años (véase el cuadro Las plantas y las personas en esta página).

L A S

P E R SO NA S

Sacarosa y fructosa: edulcorantes a gusto del consumidor n lo que a edulcorantes se refiere, la sacarosa y la fructosa se utilizan con mucha mayor frecuencia en la alimentación que la glucosa. Después de todo, endulzamos el café y casi todo con sacarosa (un disacárido compuesto de fructosa unida a glucosa), mientras que el edulcorante más común de los alimentos elaborados es el jarabe de maíz (o de glucosa) rico en fructosa, también conocido como isoglucosa. La sacarosa, o azúcar de mesa, es tan común en parte porque deja un sabor bastante dulce. No obstante, la razón principal es que la sacarosa es la forma de azúcar presente en el transporte vegetal. La glucosa se fabrica en los cloroplastos y se sintetiza en sacarosa, para su transporte por el floema. La sacarosa se aísla de plantas como la caña de azúcar y la remolacha azucarera, donde alcanza grandes concentraciones. La selección realizada por los agrónomos ha dado lugar a variedades de estos vegetales con elevados niveles de azúcar. La isoglucosa se utiliza con frecuencia en los alimentos elaborados, pues su producción a partir de granos de maíz, ricos en almidón, es de bajo coste. El almidón se convierte en glucosa mediante acción enzimática, y luego se convierte a su vez en fructosa. Para nuestro paladar, la fructosa es mucho más dulce que la glucosa. En términos de peso, la isoglucosa es un 75% más dulce que la sacarosa. Un refresco de 300 cl endulzado con isoglucosa necesitaría 10 cucharaditas de sacarosa para alcanzar el mismo dulzor. La isoglucosa consiste en un 14% El jarabe de maíz o de de fructosa, un 43% de glucosa rico en fructosa es dextrosa (glucosa), un 31% de el edulcorante principal de disacáridos y un 12% restante la mayoría de los alimentos de otros productos. La elección elaborados.

E

entre sacarosa e isoglucosa como agente edulcorante suele tener en cuenta factores como el dulzor, el precio de mercado, y la disponibilidad de maíz, caña de azúcar y remolacha azucarera. De manera general, los seres humanos y otros animales deberían consumir sólo niveles moderados de estos edulcorantes. Todos los edulcorantes naturales suman una cantidad considerable de calorías a las dietas que los incluyen. Las dietas ricas en edulcorantes, como la sacarosa o la isoglucosa, comportan riesgos como la diabetes, problemas cardíacos, y aumento del colesterol. Según un estudio del Departamento de Agricultura de Estados Unidos (United States Department of Agriculture, USDA), unas ratas de laboratorio, a las que se suministró una dieta con altos niveles de glucosa y bajos niveles de cobre, en lugar de vivir dos años, como normalmente, morían pasadas cinco semanas. Algunos estudios en humanos con los mismos fines fueron interrumpidos al observar que algunos sujetos habían desarrollado ciertas anomalías cardíacas. En general, las dietas ricas en edulcorantes precisan niveles relativamente altos de minerales, como el magnesio, cromo y cobre, con el fin de prevenir los consabidos riesgos para la salud. Los edulcorantes artificiales acalóricos comenzaron a utilizarse el siglo pasado. Entre ellos encontramos: • Aspartamo, que es un dipéptido de dos aminoácidos. El aspartamo es 200 veces más dulce que el azúcar. • Sacarina, que fue descubierta accidentalmente en 1879 en una investigación consagrada en un primer momento a la búsqueda de conservantes alimentarios. La sacarina es 300 veces más dulce que el azúcar. • Sorbitol, cuyo uso es fundamentalmente farmacéutico. El sorbitol es la mitad de dulce que el azúcar. • Sucralosa, que es una forma modificada de glucosa. La sucralosa es 600 veces más dulce que el azúcar. • Acesulfamo potásico, que es 130 veces más dulce que el azúcar. Existen riesgos asociados a todos los edulcorantes artificiales para la salud de algunas personas que los consumen.

09_Capítulo

21/11/05

230

11:51

Página 230

UNIDAD DOS

Funciones de las plantas

◆

El ciclo de Krebs genera CO2, NADH, FADH2 y ATP En presencia de oxígeno, cada piruvato producido en la glicólisis pasa al interior de la mitocondria y se transfor-

ma en un compuesto denominado acetil coenzima A, más conocido como acetil CoA (Figura 9.5). Para formar acetil CoA, primero se retira un carbono en forma de CO2 del piruvato. El fragmento de dos carbonos restante se convierte en acetato, en un proceso que genera un NADH. El

Piruvato (de la glicólisis) Carbono NAD+

La conversión de piruvato en acetil CoA es el punto de enlace entre la glicólisis y el ciclo de Krebs.

CO2

Ciclo de Krebs

H+ + NADH Acetil CoA CoA

H2O H+ + NADH

Oxaloacetato

NAD+

Citrato

Malato

H2O

H2O

Isocitrato Fumarato Ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico)

FADH2

CO2 NAD+

NADH + H+

FAD+ Alfa-ketoglutarato

Succinato

CO2 NAD+ Succinil CoA

ADP + P

Figura 9.5.

NADH + H+

CoA

ATP

CoA i

CoA

Ciclo de Krebs.

El ciclo de Krebs, también conocido como el ciclo del ácido cítrico, tiene lugar en la matriz mitocondrial, la región interna de cada mitocondria. La conversión de piruvato en acetil CoA sirve de enlace entre la glicólisis y el ciclo de Krebs. Al romperse el acetil CoA, un fragmento de dos carbonos pasa al ciclo de Krebs, donde se combina con un compuesto de cuatro carbonos para producir citrato. Aunque el ciclo de Krebs genera sólo una pequeña cantidad de ATP, desempeña un papel clave en el suministro de los transportadores de electrones, NADH y FADH2, a la cadena de transporte de electrones, la cual hace posible la gran producción de ATP de la fosforilación oxidativa. Cada recorrido del ciclo de Krebs produce un ATP, un FADH2 y tres moléculas de NADH. Como la glicólisis rompe cada glucosa en dos piruvatos, el resultado del ciclo de Krebs por molécula de glucosa es de dos moléculas de ATP, dos de FADH2 y seis de NADH.

09_Capítulo

21/11/05

11:51

Página 231

CAPÍTULO 9

acetato se une a un cofactor de gran tamaño, denominado coenzima A, formando acetil CoA. A continuación, el acetil CoA se rompe, y la coenzima A (CoA) se recicla para ser utilizada con otro piruvato, mientras que el fragmento de dos carbonos pasa al ciclo de Krebs. Por consiguiente, este proceso de conversión sirve de enlace entre la glicólisis y el ciclo de Krebs. El ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz de la mitocondria, la parte que se encuentra en el interior de las dos membranas mitocondriales. La conversión del piruvato en acetil CoA, así como el ciclo de Krebs en sí, generan todo el CO2 producido por la respiración. Mientras, cada recorrido del ciclo de Krebs implica una importante transferencia de energía, produciendo una molécula de ATP, una de FADH2 y tres de NADH. El ciclo comienza cuando una molécula de cuatro carbonos, el oxaloacetato, se combina con un fragmento de dos carbonos del acetil CoA para fabricar citrato. Como el citrato es el primer compuesto en formarse, en ocasiones, el ciclo de Krebs es referido como ciclo del ácido cítrico. El compuesto de citrato de seis carbonos resultante se convierte en isocitrato. En cada una de las dos siguientes conversiones, un carbono abandona el ciclo en forma de CO2, y se crea un NADH. Las reacciones restantes afectan a una serie de compuestos de cuatro carbonos y generan un ATP, un FADH2 y un NADH. El ciclo se completa con la regeneración del oxalacetato, que puede aceptar otro fragmento de dos carbonos de un acetil CoA para comenzar de nuevo el ciclo. Las moléculas de NADH y FADH2 producidas en el ciclo de Krebs aportan electrones ricos en energía a la siguiente fase de la respiración: la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa.

La cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa transfieren la energía de los electrones ricos en energía del NADH y FADH2 al ATP La síntesis de ATP en la membrana mitocondrial interna depende de la cadena de transporte de electrones. La fosforilación oxidativa de ADP en ATP es impulsada por la energía procedente de la ósmosis química, el flujo de iones de hidrógeno (H
) a través de la membrana. Estos iones han sido bombeados por la cadena de transporte de electrones. Algunos de ellos retroceden a través de la membrana en asociación con la enzima ATP sintasa, que utiliza el movimiento de los iones de hidrógeno de la ósmosis química como fuente de energía para sintetizar ATP. El proceso es bastante similar a la síntesis de ATP de las reac-

◆

Respiración

231

ciones luminosas de la fotosíntesis, que también cuenta con una cadena de transporte de electrones, ósmosis química y ATP sintasa. No obstante, como se señaló anteriormente, en la respiración, el flujo de electrones es debido a la oxidación de NADH (la pérdida de electrones del NADH), y no a la energía luminosa. Por este motivo, la síntesis de ATP durante esta fase de la respiración se denomina fosforilación oxidativa. Al igual que en las reacciones luminosas, los electrones pasan de un transportador de electrones a otro. La mayoría de estos transportadores son complejos proteínicos, y cada uno de ellos atrae el electrón con más fuerza que el transportador anterior. De este modo, las reacciones de oxidación/reducción (redox) mueven los electrones a lo largo de la cadena de transporte de electrones, al tiempo que se libera y transfiere energía. La energía liberada por la cadena de transporte de electrones bombea los iones de hidrógeno hacia el espacio intermembranal entre las membranas mitocondriales externa e interna (véase la Figura 9.6). La separación de carga entre los iones de hidrógeno en el exterior de la membrana interna y los electrones de la cadena de transporte de electrones forma un gradiente de energía potencial, un tipo de pila que se mide como una diferencia de pH entre las soluciones de cada lado de la membrana. El retroceso de los iones a través de la membrana y por la ATP sintasa impulsa la síntesis de ATP. Por cada tres iones de hidrógeno que se mueven por la ATP sintasa, se sintetiza un ATP. El último transportador de electrones en la cadena de transporte de electrones se conoce como aceptador terminal de electrones. En el caso de la respiración, el aceptador terminal de electrones es un átomo de oxígeno del aire, motivo por el cual los organismos que llevan a cabo la respiración necesitan oxígeno. Los electrones y los iones de hidrógeno se unen con O2 del aire en el interior de la membrana interna para convertirse en H2O. En teoría, la energía de cada NADH da origen a tres moléculas de ATP, mientras que la energía de cada FADH2 da lugar a dos moléculas de ATP, pues los electrones del FADH2 poseen menos energía que los del NADH. En realidad, el número de moléculas de ATP por cada NADH podría ser superior o inferior, dependiendo de si el NADH procede de la glicólisis o del ciclo de Krebs, así como de cuánto ATP hay de hecho en la célula. La ATP sintasa ha sido calificada de «máquina molecular» y se compone de tres partes: un rotor cilíndrico, una barra o brazo, y un borne, cada una de las cuales contiene a su vez subunidades proteínicas. El rotor cilíndrico abarca toda la membrana y rodea un canal por donde flu-

09_Capítulo

21/11/05

232

11:51

Página 232

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

Mitocondria

Membrana externa

Membrana interna Membrana interna

Espacio intermembranal

Crestas Matriz H+

H+

H+

H+

Espacio de la membrana interna

H+

Los H+ bombeados por la cadena de transporte de electrones se utilizan para impulsar la síntesis de ATP

H+

H+

H+

H+ H+

H+

H+

H+

Complejo proteínico Complejo II Coenzima Q

Ruta de electrones

H+

ATP sintasa

H+ CCitocromo C Complejo IV

Complejo III

2 e– 1

/2 O2

2

e–

NADH

H+

+ 2 H+

+

NAD

FADH2

H+ Matriz mitocondrial Cadena de transporte de electrones

Figura 9.6.

ADP + P

i

FAD H+

ATP

H2O H+

Fosforilación oxidativa

Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa.

Mientras se produce el ciclo de Krebs en la matriz mitocondrial, tienen lugar la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa en el interior de la membrana mitocondrial interna. De hecho, existen muchas copias de la cadena en la membrana interna, lo cual es posible gracias al incremento de superficie proporcionado por las proyecciones denominadas crestas, que tienen aspecto de dedos. El NADH y FADH2 pasan por cada cadena, las cuales consisten fundamentalmente en complejos proteínicos transportadores de electrones. El complejo I retira los electrones ricos en energía y los protones asociados del NADH. El complejo II retira los electrones ricos en energía y los protones asociados del FADH2. El complejo III transfiere los electrones al complejo IV, donde se combinan con oxígeno para fabricar agua. En los complejos I, III y IV, la energía liberada de los electrones bombea iones de hidrógeno hacia el interior del espacio intermembranal. La ósmosis química —el flujo de retorno de iones de hidrógeno a través de la membrana y por la ATP sintasa— proporciona la energía para sintetizar el ATP mediante fosforilación oxidativa.

yen los iones de hidrógeno. En el centro del canal, existe una varilla que conecta el rotor al borne. El borne, que sobresale hacia el interior de la matriz mitocondrial, contiene sitios donde se une fosfato inorgánico (Pi) a ADP, para fabricar ATP. El rasgo más característico de la ATP sintasa es que tanto el rotor cilíndrico como la varilla giran, activando así los sitios del borne donde se sintetiza el ATP.

La respiración presenta un elevado rendimiento energético La Figura 9.7 resume el rendimiento energético estimado de la glicólisis, el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa por una molécula de glucosa: 36 moléculas de ATP. Éste es un valor ideal basado en la presunción de que el bombeo de iones de hidrógeno de la ósmosis química de un

09_Capítulo

21/11/05

11:51

Página 233

CAPÍTULO 9

◆

Respiración

233

(mediante transporte de ATP) 2 NADH 2 NADH 6 NADH 2 FADH2

Glicólisis (en el citosol) Glucosa 2 piruvatos

2 ATP (mediante fosforilación a nivel de substrato, controlada por enzimas)

Figura 9.7.

2 Acetil CoA

Ciclo de Krebs

H+

ATP sintasa

Cadena de transporte de electrones

2 ATP (mediante fosforilación a nivel de substrato, controlada por enzimas)

Hasta 32 ATP (mediante fosforilación oxidativa, a través de ATP sintasa, impulsada por la ósmosis química de H+)

Resumen de la producción máxima de ATP estimada en la respiración.

Los números reflejan el máximo estimado de producción de ATP por molécula de glucosa. Los cálculos se basan en la energía de cada NADH, convertida en 3 ATP, y en la energía en cada FADH2, convertida en 2 ATP. Como cada glucosa se convierte en dos piruvatos, tienen lugar dos recorridos del ciclo de Krebs. La glicólisis produce 2 ATP, el ciclo de Krebs produce otros dos ATP, y la producción de la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa es de 36 ATP. A primera vista, podría parecer que la última cifra debería ser de 38 ATP. Después de todo, el diagrama muestra 10 NADH y 2 FADH2 en la cadena de transporte de electrones. Sin embargo, se han de restar los 2 ATP utilizados para el movimiento de electrones de las moléculas de NADH producidas en la glicólisis. Luego la producción neta máxima es de 36 ATP.

NADH y de los iones de hidrógeno asociados producirá tres moléculas de ATP, y cada FADH2 dará lugar a dos moléculas de ATP. Como se indicó en el anterior apartado, el valor real puede ser mayor o menor, y es de suponer que varía entre diferentes tipos de células. En ocasiones, la producción total de ATP de una glucosa se estima en 38 moléculas. Sin embargo, no se están teniendo en cuenta las dos moléculas de ATP que han de utilizarse para mover los electrones a través de la membrana mitocondrial, en concreto, los electrones del NADH producido en la glicólisis. Este movimiento es necesario, pues la membrana mitocondrial interna es impermeable al NADH. Si sustraemos estas dos moléculas de ATP, obtenemos la producción neta de ATP, 36 moléculas. La síntesis de 36 moléculas de ATP precisa 262,8 kilocalorías (kcal), que representan el 38% de la energía contenida en la glucosa. El resto de kcal de energía en cada glucosa (686) se libera en forma de calor. En realidad, un

rendimiento energético del 38% es razonablemente eficaz. El rendimiento útil de un motor de gasolina suele ser de menos del 25%, con el 75% de la energía convertida en calor o en productos de la combustión, de oxidación incompleta, como el monóxido de carbono (CO). La síntesis y utilización de ATP en las células vivas es una empresa de considerable magnitud. Una persona media, que no sea sedentaria ni tampoco activa en demasía, consume unas 2.000 kcal al día, el equivalente a 0,45 kg de glucosa. Los cálculos revelan que una célula humana media produce y utiliza unas 10 millones de moléculas de ATP por segundo. Las tasas metabólicas generales de los vegetales son entre 10 y 100 veces menores que las de la mayoría de animales, pero el número de moléculas de ATP producidas y utilizadas cada segundo en cada célula vegetal viva común también está dentro del orden de millones. En resumen, el proceso de síntesis y ruptura de ATP en las células vivas se produce a una escala extraordinaria.

09_Capítulo

21/11/05

234

11:51

Página 234

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

En algunos vegetales, la cadena de transporte de electrones puede generar un exceso de calor En algunos vegetales, una enzima, denominada oxidasa alternativa, mueve los electrones del NADH al O2 sin que se produzca fosforilación oxidativa. Cuando esta oxidasa alternativa mueve electrones, no se produce ATP, y toda la energía se libera en forma de calor. Este tipo de mecanismo lo utilizan los vegetales para producir flores «calientes», que son capaces de derretir la nieve, permitiendo al vegetal beneficiarse de los días soleados, pero fríos. Se trata del mismo mecanismo que permite a los osos producir el suficiente calor para sobrevivir durante la hibernación. Unos pocos vegetales, particularmente los de la familia Araceae, pueden mantener metabólicamente sus flores a una temperatura considerablemente superior a la de su medio, durante cortos períodos de tiempo, e incluso mantener un valor constante de la misma. ¿Por qué reservan energía para esta labor? Numerosas plantas tropicales de la familia de las Aráceas (Araceae) —como los filodendros, calas, malanga, difenbaquias y anturios— se cultivan como plantas de interior o en jardines de regiones cálidas. Con frecuencia, estas plantas poseen flores de olor fétido, que atrae a insectos como las moscas y los escarabajos. Un ejemplo claro es el falo amorfo titánico, que vimos al principio de este capítulo. Esta enorme flor indonesa crece hasta alcanzar los 3,7 m de altura, y su soporte es una raíz carnosa que pesa más de 46 kg. El calor de las partes de la flor produce una gran cantidad de moléculas olorosas que se evaporan en el aire, atrayendo así de forma más eficaz a los polinizadores. Presumiblemente, las plantas con olores más intensos atraen más polinizadores y por ende producen más semillas, para iniciar la siguiente generación. De esta manera, la selección de flores que eran más calientes y desprendían un olor más intenso perduraba en las generaciones sucesivas (véase el cuadro El fascinante mundo de las plantas en la página siguiente).

al ciclo de Krebs en diversos lugares. La mayoría de los organismos, incluido el ser humano, son capaces de metabolizar las grasas en unidades de glicerol y acetil CoA, que pueden pasar a la glicólisis y el ciclo de Krebs para producir energía (Figura 9.8). Por ejemplo, los animales que hibernan tienen un sofisticado sistema de control hormonal para regular este proceso. De este modo, los organismos pueden almacenar energía en forma de grasa, cuando hay exceso de alimentos, y utilizan la grasa para obtener ATP, cuando el suministro de alimentos es escaso. No obstante, la mayoría de los animales, incluidos todos los mamíferos, no pueden convertir los ácidos grasos en glucosa. En contrapartida, los vegetales y algunas bacterias pueden romper los ácidos grasos en acetil CoA, que luego se utiliza para fabricar glucosa. Por esta razón, los vegetales son más versátiles que los animales, pues tienen la capaci-

Proteínas

Carbohidratos

Aminoácidos

Azúcares

Glicerol

Ácidos grasos

Glicólisis Glucosa Gliceraldehído- P NH3

Piruvato

Acetil CoA

Ciclo de Krebs

Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa

Los vegetales, a diferencia de los animales, pueden convertir los ácidos grasos en glucosa Los animales pueden obtener energía de diversas fuentes. El almidón y otros carbohidratos se rompen o se convierten en glucosa, que se metaboliza en la respiración. Las grasas se rompen en acetil CoA, el cual pasa al ciclo de Krebs. Las proteínas se rompen en aminoácidos que pasan

Grasas

Figura 9.8.

Otros substratos, además de la glucosa, que pueden ser utilizados en la respiración.

Las proteínas, carbohidratos y grasas se incorporan a la respiración en diversos lugares.

09_Capítulo

21/11/05

11:51

Página 235

CAPÍTULO 9

◆

Respiración

235

EL FASCINANTE MUNDO DE LAS PLANTAS «Col fétida» En Norteamérica encontramos, como ejemplos de «plantas calientes», varias especies de «col fétida». En Estados Unidos, Symplocarpus foetidus, conocida comúnmente como dragón fétido, crece en la zona este, y Lysichiton americanus, conocida comúnmente como aro de agua, en la zona oeste. Estos miembros de la familia de las Aráceas (Araceae) florecen en enero o febrero, y el calor producido por el capullo de la flor puede elevar su temperatura hasta alcanzar los 16°C. Con frecuencia, el capullo funde la nieve circundante y sobrevive con facilidad a las incontables noches con temperaturas muy por debajo de cero. El calor liberado también activa las moléculas olorosas de las flores, a las cuales debe el vegetal su nombre distintivo. La «col fétida» mantiene sus temperaturas florales altas al convertir el almidón, almacenado en una gran raíz carnosa, en glucosa o CO2. La ventaja del elevado metabolismo de este vegetal sigue siendo objeto de debate. En los meses de enero y febrero, no se ven demasiados insectos polinizadores. Por otro lado, los insectos polinizadores se suelen encontrar en los pantanos del este y oeste de Canadá y Estados Unidos, donde crece la «col fétida». Cualquier insecto «madrugador» podría sacar provecho de la «col fétida» como fuente de alimento y de calor para su sostén vital, mientras que el vegetal podría sacar provecho de los organismos polinizadores en plena inauguración de la temporada. Comenzar a crecer tan pronto también proporciona al vegetal semanas de luz solar directa y, por tanto, de fotosíntesis, lo que evita la sombra de otros vegetales.

dad de utilizar los ácidos grasos como fuente de energía o como fuente de glucosa, la cual es soluble en agua y adopta con facilidad formas que pueden moverse por todo el vegetal. La capacidad de los vegetales de utilizar los ácidos grasos para obtener energía o moléculas estructurales puede ser la explicación de por qué muchos vegetales poseen aceite como compuesto de reserva utilizado para nutrir a las semillas que van a germinar. Los vegetales pueden convertir los ácidos grasos en azúcares gracias al ciclo del glioxilato, que tiene lugar, en parte, en los microcuerpos denominados glioxisomas (véase el Capítulo 2) y, en parte, en las mitocondrias. Básicamente, el ciclo del glioxilato no es más que el ciclo de Krebs con dos enzimas adicionales, que evitan los dos pasos del ciclo de Krebs en los que se libera parte del carbono en forma de CO2. Puesto que estos carbonos no se pierden, están disponibles para la síntesis de glucosa.

Se ha sugerido que la «col fétida» simplemente conserva una adaptación que fue ventajosa en las regiones tropicales (donde el intenso olor del vegetal incrementaría sus posibilidades de ser polinizado), pero carente de provecho en regiones templadas. Esto parece poco probable, porque las diversas especies de «col fétida» consagran una considerable cantidad de energía a la producción de calor. Probablemente, una variedad que ahorrara energía se habría multiplicado con rapidez para convertirse en la forma dominante de la población.

Un ejemplar de «col fétida» derrite la nieve a su alrededor.

Repaso de la sección 1. Describe la relación existente entre la glicólisis y el ciclo de Krebs. 2. Explica las funciones de la cadena de transporte de electrones y la sintasa ATP en la producción de ATP. 3. Resume los productos de la glicólisis, el ciclo de Krebs, la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa.

Fermentación Antes de que la fotosíntesis evolucionara, la respiración no era posible debido a la ausencia de oxígeno. En el mundo actual, los medios anaeróbicos todavía se dan en lugares con ausencia de oxígeno, o donde se consume más rápido

09_Capítulo

21/11/05

236

11:51

Página 236

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

de lo que se puede reemplazar. Bajo tales condiciones, puede producirse la fermentación. Algunos microorganismos, conocidos como organismos anaerobios obligados, precisan de condiciones anaeróbicas para sobrevivir. Otros, conocidos como organismos anaerobios facultativos, poseen la capacidad (facultad) de llevar a cabo la respiración en presencia de oxígeno, y la fermentación, en ausencia del mismo.

En ausencia de oxígeno, el piruvato generado por la glicólisis se convierte en etanol o lactato La fermentación convierte el piruvato en otras moléculas orgánicas, como etanol o lactato, al tiempo que transfiere electrones al NAD
(Figura 9.9). Puesto que la concentración de NAD
en las células vivas es bastante baja, debe regenerarse con rapidez para que la glicólisis pueda continuar y la célula pueda obtener así ATP. En ausencia de O2, la cadena de transporte de electrones no produce NAD
, de manera que la regeneración de NADH para transformarse en NAD
se convierte en el fin de la fermentación. En los primeros tiempos de la vida sobre la Tierra, antes de que la fotosíntesis evolucionara, la atmósfera contenía muy poco oxígeno libre, si es que lo había, por lo que una combinación de la glicólisis y la fermentación era la única fuente de ATP. Las células vivas experimentaban formas primitivas de glicólisis y fermentación para romper los azúcares y otras moléculas producidas espontáneamente en los antiguos océanos superficiales. Hoy en día, la fermentación está restringida a ciertos medios donde viven bacterias especializadas y a determinados momentos en la vida de todas las células, pero desempeña una función importante en la fisiología, en usos comerciales o como causante de enfermedades. Por ejemplo, las levaduras son hongos utilizados en la producción de cerveza y vino mediante fermentación (el término fermentación procede de la palabra latina para levadura, fermentum). Las bacterias anaeróbicas del género Clostridium provocan enfermedades como la gangrena y el tétanos. La mayoría de las células vegetales producen etanol si se las priva de oxígeno; no obstante, algunas especies producen lactato, malato, glicerol, o etanol y lactato a un tiempo. Las plantas se ven privadas de oxígeno cuando sus raíces se inundan, ya que el oxígeno se difunde tres millones de veces más despacio en el agua pura que en el aire. En las ciénagas y pantanos, donde numerosos organismos compiten por un suministro limitado de oxígeno, las semillas se ven en ocasiones privadas de oxígeno durante

las primeras fases de la germinación. La falta de oxígeno provoca la germinación de las semillas de gramíneas, probablemente al estimular la síntesis de la hormona vegetal etileno. Generalmente, las células animales no pueden llevar a cabo la fermentación alcohólica. Si fueran capaces, sólo con aguantar la respiración, los humanos podríamos estar ebrios. En su lugar, cuando el oxígeno es escaso, un proceso denominado fermentación del ácido láctico convierte el piruvato en lactato. Normalmente, la fermentación del ácido láctico se da cuando el animal utiliza ATP para mover los músculos, que pueden doler al producirse un exceso de lactato («agujetas»). Si el sistema circulatorio no puede suministrar oxígeno a un ritmo suficiente para la fosforilación oxidativa, la respiración se inhibe por la falta de oxígeno, pero el organismo continúa produciendo piruvato y ATP mediante glicólisis. De hecho, tanto la respiración como la fermentación pueden producirse en un organismo al mismo tiempo. A diferencia de la fermentación alcohólica, la fermentación láctica es reversible. Cuando se reestablece el oxígeno, el lactato se convierte en piruvato, y la respiración continúa.

Algunas industrias importantes dependen de la fermentación La capacidad de la levadura, un organismo anaerobio facultativo, para metabolizar el piruvato en etanol dio origen a las industrias cerveceras y panaderas (Figura 9.10). En la fabricación del vino, el zumo de frutas dulce, mezclado con células de levadura, fermenta hasta que la concentración de alcohol alcanza un 12%. En este punto, las células de levadura mueren como resultado del alcohol que han producido. Cualquier bebida alcohólica con una concentración mayor de etanol ha sido fortificada, lo que quiere decir que se ha añadido alcohol concentrado por destilación para obtener el producto final. Si entra oxígeno en el proceso antes de su conclusión, las bacterias del aire convierten rápidamente el etanol en ácido acético. El vinagre es una solución con un 9% de ácido acético. Para fabricar cerveza, se germina trigo o algún otro cereal con contenido en almidón, lo suficiente como para romper parte del almidón en maltosa, que sirve de alimento para la levadura. Al añadir la levadura, comienza la fermentación alcohólica. El proceso de fermentación que produce etanol también genera CO2, lo que a su vez provoca que la solución burbujee y parezca activa. En la fabricación de vino, el CO2 suele disiparse, mientras que en la elaboración de cerveza el CO2 permanece.

09_Capítulo

21/11/05

11:51

Página 237

CAPÍTULO 9

Oxígeno presente (condiciones aeróbicas)

Glicólisis Glucosa

Acetil CoA

2 piruvatos

◆

Respiración

237

Ciclo de Krebs

Oxígeno ausente (condiciones anaeróbicas) o

Figura 9.9.

Fermentación alcohólica (produce 2 etanoles y 2 CO2)

Fermentación del ácido láctico (produce 2 lactatos)

(a) Glucosa 2 ADP + 2 P

2 NAD+

i

Glicólisis 2 ATP

2 NADH + 2 H+ O O–

O

C C CH3 2 piruvatos 2 NADH + 2 H+

2 CO2

2 NAD+

O H C CH3 2 acetaldehídos

O–

O

OH

C

C

CH3

H 2 lactatos

2 NADH

(c) Fermentación del ácido láctico

+ 2 H+ 2 NAD+ HO H

C

CH3

H 2 etanoles (b) Fermentación del alcohol

En la industria panadera, la levadura se mezcla con una masa que contiene almidón y azúcar, lo que le proporciona un medio anaeróbico. El CO2 producido por la glicólisis y la fermentación del azúcar hace que la masa se ele-

Fermentación.

(a) En ausencia de oxígeno, el ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones no pueden funcionar. En su lugar, el piruvato se convierte en etanol o en lactato en el citosol. En la fermentación, tanto la producción de etanol como la de lactato sirven para regenerar NAD
, permitiendo que prosiga la limitada producción de ATP de la glicólisis. (b) La fermentación alcohólica se produce en las levaduras, la mayoría de células vegetales y algunas bacterias. (c) La fermentación del ácido láctico se produce en un conjunto de células de numerosos tipos de organismos, incluidas las células de los músculos de los animales. La fermentación del ácido láctico por parte de algunos hongos y bacterias se utiliza para fabricar queso y yogures.

ve, y el alcohol producido se evapora durante el proceso de cocción. Las personas que dicen que adoran estar en la cocina cuando el pan se cuece pueden estar respondiendo al aroma realzado por el alcohol.

La fermentación presenta un rendimiento energético bajo, en comparación con la respiración Debemos tener en cuenta que la fermentación, la conversión de piruvato en etanol o lactato, no produce ATP adicional. El único ATP generado procede de la glicólisis, que produce dos moléculas de ATP por glucosa. Cada ATP posee 7,3 kcal de energía, mientras que la glucosa posee 686 kcal. Por tanto, el rendimiento energético de la glicólisis y la fermentación es de 14,6/686 o de poco más del 2%. En contrapartida, la respiración puede generar un máximo de 38 ATP por glucosa, con un rendimiento energético de aproximadamente el 40%. Una de las razones por las que un organismo anaeróbico no podría bailar o jugar al baloncesto es porque no cuentan con la energía necesaria, y no podría conseguirla sin tener que consumir cantidades masivas de glucosa u otros alimentos.

09_Capítulo

21/11/05

238

11:51

Página 238

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

(b)

Figura 9.10.

Algunos usos comerciales de la fermentación.

Durante la fabricación de cerveza y vino, la levadura convierte el azúcar en piruvato, y luego en etanol. En el vino, el CO2 producido se deja escapar, mientras que en la cerveza se retiene para el producto final. (a) Las industrias vinícolas y cerveceras, como esta pequeña cervecera, suelen utilizar contenedores de acero inoxidable. (b) Esta imagen de microscopio electrónico de barrido de la levadura (Saccharomyces cerevisiae) muestra la fase de «brotación» o multiplicación.

Repaso de la sección 1. ¿Qué es la fermentación y en qué se diferencia de la respiración? 2. ¿Cómo participa la fermentación en la fabricación de cerveza, vino y pan? 3. ¿Por qué los organismos anaeróbicos poseen menos energía disponible que los aeróbicos?

(a)

RESUMEN Introducción a la nutrición Todos los seres vivos necesitan fuentes de energía y de carbono (pág. 223) La mayoría de los organismos autótrofos son fotoautótrofos: obtienen su energía de la luz y del carbono del CO2. Unos pocos son quimioautótrofos: obtienen su energía de compuestos inorgánicos. La mayoría de los organismos heterótrofos son quimioheterótrofos: obtienen la energía y el carbono de compuestos orgánicos. Pero unos pocos son fotoheterótrofos y, en su lugar, obtienen la energía de la luz. Las plantas utilizan la fotosíntesis para almacenar la energía luminosa, en forma de azúcares, y la respiración para transferir la energía de los azúcares al ATP (págs. 223-224)

En la respiración, los organismos rompen azúcares y otros compuestos orgánicos para fabricar ATP. Durante la respiración, la síntesis de ATP se produce mediante fosforilación a nivel de substrato y fosforilación oxidativa. La ruptura del azúcar para liberar energía puede producirse con o sin oxígeno (págs. 224-226) A través de la respiración o la fermentación, todas las células vivas rompen la glucosa en CO2 y H2O, produciendo ATP. Tanto la respiración como la fermentación utilizan la glicólisis para romper la glucosa en piruvato. En condiciones aeróbicas, se produce la respiración, que implica la ruptura del piruvato en acetil CoA, el ciclo de Krebs, la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa.

09_Capítulo

21/11/05

11:51

Página 239

CAPÍTULO 9

Respiración La glicólisis divide cada azúcar de seis carbonos en dos moléculas de piruvato (págs. 226-229) La glicólisis consiste en diez reacciones que convierten una molécula de azúcar de seis carbonos en dos moléculas de piruvato. A partir de una glucosa, la glicólisis produce dos moléculas de ATP y dos de NADH. Los compuestos intermedios actúan como reactivos para formar diversos compuestos. El ciclo de Krebs genera CO2, NADH, FADH2 y ATP (págs. 230-231) Cuando el piruvato abandona la glicólisis, se convierte en dos moléculas de acetil CoA y dos moléculas de CO2. En el ciclo de Krebs, los grupos acetilos se convierten en CO2. En dos recorridos del ciclo de Krebs, la energía de una glucosa se transfiere a dos moléculas de ATP, mientras que los electrones ricos en energía y los hidrógenos asociados se incorporan a seis moléculas de NADH y dos moléculas de FADH2. La cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa transfieren la energía de los electrones ricos en energía del NADH y FADH2 al ATP (págs. 231-232) La energía liberada de la cadena de transporte mueve los iones de hidrógeno a través de la membrana. Este emparejamiento de ósmosis química crea una diferencia de carga y de pH a través de la membrana, que funciona como una pila para impulsar la fosforilación oxidativa por la ATP sintasa. Los electrones de la cadena de transporte de electrones, junto con los iones de hidrógeno asociados, se combinan con oxígeno para producir agua. La respiración presenta un elevado rendimiento energético (págs. 232-233) El rendimiento energético neto máximo de una glucosa es de 36 moléculas de ATP, lo que supone un 40% de la energía de la glucosa. La energía restante se libera en forma de calor. En algunos vegetales, la cadena de transporte de electrones puede generar un exceso de calor (pág. 234) Al utilizar una oxidasa alternativa, los electrones pueden evitar la cadena de transporte de electrones, con lo que casi toda la energía almacenada se libera en forma de calor. Los vegetales, a diferencia de los animales, pueden convertir los ácidos grasos en glucosa (págs. 234-235) Los vegetales y los animales pueden convertir los ácidos grasos en acetil CoA, que se metaboliza en CO2 en el ciclo de Krebs. Los vegetales también pueden romper los ácidos grasos en acetil CoA, el cual se utiliza para fabricar glucosa, sin que exista producción de CO2.

Fermentación En ausencia de oxígeno, el piruvato generado por la glicólisis se convierte en etanol o lactato (pág. 236) La fermentación convierte el piruvato en otras moléculas orgánicas, como etanol o lactato, al tiempo que transfiere electrones del NAD
al NADH.

◆

Respiración

239

Algunas industrias importantes dependen de la fermentación (págs. 236-237) Las industrias panaderas, cerveceras y vinícolas se basan en la capacidad de la levadura para fermentar azúcares y obtener etanol y CO2. La fermentación presenta un rendimiento energético bajo, en comparación con la respiración (págs. 237-238) El rendimiento de ATP de la fermentación por molécula de glucosa consiste únicamente en las dos moléculas producidas por la glicólisis, el 2% de la energía de la glucosa.

Cuestiones de repaso 1. ¿Qué diferencia hay entre autótrofos y heterótrofos? 2. ¿Cuál es el resultado neto de los procesos de fotosíntesis y respiración? 3. Distingue entre los tres tipos de síntesis de ATP. 4. ¿Cuál es la función del ATP y NADH en las células? 5. ¿Cuáles son los productos finales de la glicólisis? 6. ¿Qué productos pasan al ciclo de Krebs y cuáles son los productos finales del mismo? 7. Compara y contrasta la glicólisis y el ciclo de Krebs. 8. Explica cómo la fosforilación oxidativa está separada de la cadena de transporte de electrones al tiempo que depende de ella. 9. Describe, grosso modo, qué relación existe entre la glicólisis, el ciclo de Krebs, la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa. 10. Define la ATP sintasa y su función. 11. En términos del proceso y de la cantidad de ATP generada, ¿en qué se diferencian la fermentación y la respiración? 12. ¿Qué es lo que los vegetales pueden hacer con las grasas, que los animales no pueden? Razona tu respuesta.

Cuestiones para reflexionar y debatir 1. Si aguantas la respiración, ¿qué sucede con las moléculas de glucosa de las células que son utilizadas como energía? 2. ¿Qué es lo que crees que evolucionó primero: la fotosíntesis o la respiración? Justifica tu respuesta. 3. ¿Por qué la mayoría de las eucariotas mueren si se les priva de oxígeno? ¿Por qué son incapaces de sobrevivir utilizando la fermentación? 4. Los vegetales producen ATP en la fotosíntesis, de modo que, ¿por qué han de llevar a cabo la respiración? 5. Cuando se rompe el ATP, parte de la energía se libera en forma de calor. ¿Significa esto que la temperatura de un vegetal siempre es algo superior que la temperatura exterior? Razona tu respuesta. 6. Realiza una serie de diagramas para ilustrar el proceso de la respiración aeróbica en un vegetal. Tus diagramas deberían

09_Capítulo

21/11/05

240

11:51

Página 240

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

ser, por orden: (a) un vegetal completo; (b) una célula vegetal individual; (c) una vista detallada de una porción del citoplasma de una célula vegetal, con una mitocondria individual; (d) una vista detallada de una porción de una mitocondria. En cada diagrama, dibuja y explica los procesos y reacciones individuales en un grado de detalle acorde al diagrama.

Conexión evolutiva Los biólogos consideran que las reacciones de glicólisis y fermentación evolucionaron tempranamente en la historia de la vida sobre la Tierra, y que el ciclo de Krebs se incorporó más tarde. Explica por qué esta hipótesis es razonable. ¿Existen pruebas que la sustenten?

Para saber más Gardenway Staff y P. Hobson. Making Cheese, Butter and Yogurt. North Adams, MA: Storey Books, 1997. Este libro está repleto de información sobre el queso, e incluye un repertorio de recetas. Mathews, C. K., Van Holde, K. E., y K. G. Ahern. Bioquímica. Madrid: Pearson Educación, 2002. Este excelente texto contiene información detallada sobre la respiración. Robbins, Louise. Louis Pasteur: And the Hidden World of Microbes. New York: Oxford Portraits in Science, 2001. Este libro examina los experimentos de Pasteur en microbios causantes de la fermentación y de varias enfermedades, así como los cambios en la Medicina y en la percepción pública de las enfermedades que derivaron de su trabajo.

10_Capítulo

21/11/05

12:20

Página 241

10 El transporte en los vegetales

Nenúfares de tallo largo.

Movimiento molecular a través de las membranas La difusión es el movimiento molecular espontáneo a favor del gradiente de concentración La difusión facilitada y el transporte activo utilizan proteínas que cooperan en el movimiento a través de las membranas La exocitosis y la endocitosis sirven para transportar moléculas de gran tamaño La ósmosis es el movimiento de agua a través de una membrana selectivamente permeable

En el crecimiento celular, el potencial osmótico del interior de la célula interactúa con la presión generada por la pared celular

Suelo y minerales, nutrición de los vegetales

Movimiento y absorción de agua y solutos en los vegetales

El suelo está formado por partículas de rocas superficiales rodeadas de cargas negativas, que promueven los enlaces entre agua y minerales

La evaporación del agua en las hojas hace subir el agua desde la raíz a través del xilema

Un vegetal necesita 17 elementos esenciales, la mayoría de los cuales se obtiene del suelo

Los estomas controlan el intercambio de gases y la pérdida de agua de las plantas

Las partículas del suelo enlazan agua e iones minerales

Los azúcares y otras moléculas orgánicas se mueven desde las hojas hasta la raíz a través del floema

Las bacterias del suelo hacen que el nitrógeno esté a disposición del vegetal

10_Capítulo

21/11/05

242

12:20

Página 242

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

¿D

e qué están hechos los vegetales? Hoy en día tendemos a responder a esta pregunta haciendo alusión a moléculas como el ADN y las enzimas, los azúcares y los aminoácidos, y las hormonas que el propio vegetal fabrica a partir de componentes inorgánicos más simples. En cualquier caso, esta respuesta entra dentro del sistema químico que hemos estudiado. El conocimiento humano sobre la Química era mucho más sencillo en aquellos tiempos en los que se pensaba que todo estaba compuesto por cuatro elementos. El filósofo griego Empédocles (aproximadamente 450 a. C.) y, más tarde, Aristóteles (384-322 a. C.) creían que todo en el Universo estaba formado por varias combinaciones de tierra, aire, fuego y agua. Algunos filósofos griegos añadieron un quinto elemento, la quintaesencia, que representaba lo celestial en contraposición a lo terrestre. En realidad, bajo el sistema de tierra, aire, fuego y agua de lo que llamamos Química «antigua», había algo de ciencia razonablemente exacta. Allá por 1600, el químico belga Jan Baptista van Helmont llevó a cabo un experimento dirigido a determinar las contribuciones relativas de la tierra y el agua en el crecimiento vegetal. Plantó un sauce de 2,3 kilogramos en un recipiente que contenía 90,9 kg de suelo cocido, seco. Durante cinco años, regó y cuidó el árbol. Transcurrido este tiempo, el árbol pesaba 76,9 kg, pero el suelo sólo había perdido 57 mg. Al observar que el árbol había absorbido grandes cantidades de agua, pero apenas una pequeña cantidad de suelo, Van Helmont concluyó que el árbol estaba compuesto casi en su totalidad por agua. De hecho, incluso la Química moderna admitiría que el agua es la molécula más común en un vegetal, pues constituye cerca del 60% de su peso. En 1699, un inglés de nombre John Woodward llevó a cabo un experimento en Londres utilizando plantas de menta, con el que llegó a una conclusión bastante diferente a la de van Helmont. Colocó las plantas con cuatro fuentes de riego: agua de lluvia, agua del río Támesis, agua de alcantarilla del Hyde Park y agua de alcantarilla del Hyde Park con tierra de jardín. Después de 77 días, recopiló los siguientes datos sobre el aumento de peso de los cuatro grupos de vegetales:

Fuente de riego Lluvia Río Támesis Alcantarilla del Hyde Park Alcantarilla del Hyde Park y tierra de jardín

Aumento de peso [en granos, 1 grano = 64,8 miligramos (mg)] 17,5 26,0 139,0 284,0

Woodward observó que el crecimiento vegetal aumentaba proporcionalmente a la cantidad de tierra o limo de cada

fuente de riego. Concluyó que los vegetales están compuestos principalmente por tierra. Hoy en día sabemos que los minerales del suelo son esenciales para el crecimiento vegetal, pero sólo representan un pequeño porcentaje del peso de un vegetal. Desde hace siglos, los agricultores saben que el crecimiento vegetal se estimula al añadir estiércol animal al suelo. En el siglo XVIII, comenzaron a advertir que diversos depósitos minerales naturales eran tan beneficiosos para los cultivos como el estiércol. Por ejemplo, la marga, que también contiene caliza o carbonato cálcico (CaCO3), se sabía útil al añadirse al suelo. Los agricultores también repararon en que el nitro (nitrato potásico, KNO3) obtenido a partir de restos vegetales y animales en descomposición podía favorecer el crecimiento vegetal. Allá por 1731, un agricultor inglés de nombre Jethro Tull afirmó que el nitro era un quinto elemento en los vegetales. Tull fue probablemente el primer investigador en proponer que la antigua Química de cuatro elementos no servía para describir debidamente la composición de los vegetales. Además, creía que las raíces vegetales poseían unas diminutas bocas que utilizaban para comer la tierra, y que arar la tierra para dividirla en piezas del tamaño de un bocado facilitaría a los vegetales su consumo. Por esa misma época, los científicos comenzaron a identificar los elementos químicos reconocidos actualmente por los profesionales de la Química. Por ejemplo, en 1771, Joseph Priestley determinó que los vegetales producían algo que permitía a las velas arder y a los animales sobrevivir. Había descubierto el oxígeno. Los científicos continuaron la labor de definir los elementos individuales de la nueva Química y, en 1869, Dimitri Mendeleev publicó la primera tabla periódica, que incluía unos 46 elementos. Oficialmente, la Química antigua había muerto. Sabemos que los vegetales necesitan al menos 17 elementos para fabricar sus estructuras bioquímicas. El carbono procede del CO2 del aire, los vegetales pueden obtener el oxígeno e hidrógeno que necesitan dividiendo las moléculas de agua, y otros elementos proceden del suelo. Puesto que la absorción de agua y minerales se produce en la raíz, y la fotosíntesis tiene lugar en las hojas, los vegetales necesitan un sistema de transporte para mover las moléculas hasta el lugar donde son necesarias. En este capítulo, estudiaremos cómo las moléculas inorgánicas y orgánicas son transportadas como un todo entre las células y por todo el vegetal.

10_Capítulo

21/11/05

12:20

Página 243

CAPÍTULO 10

Movimiento molecular a través de las membranas Las células vegetales cuentan con varios métodos para importar y exportar las moléculas esenciales para el crecimiento y desarrollo celulares. Estas moléculas incluyen el agua y varios solutos, que son moléculas solubles en agua. Algunos solutos utilizados por los vegetales son iones minerales, como el potasio y el fósforo, que se encuentran en el suelo. Otros son moléculas orgánicas, como los azúcares que los vegetales sintetizan en determinadas células, y que todas las células del vegetal necesitan. Las moléculas pueden moverse por el interior de las células o de las paredes celulares. El movimiento por el interior de las células se conoce como transporte simplástico (del griego sym, «con»), pues las moléculas se mueven por el interior del citoplasma. La continuidad del citoplasma entre las células, unidas por los canales denominados plasmodesmos, se conoce como el simplasto del vegetal. La membrana plasmática es selectivamente permeable y controla la entrada de moléculas al citoplasma de cada célula, restringiendo a menudo el movimiento de algunas moléculas y estimulando el de otras. La continuidad de las paredes celulares en toda la planta se conoce como apoplasto (del griego apo, «lejos de»). El movimiento de moléculas dentro de las paredes celulares se denomina transporte apoplástico, mediante el cual las moléculas pasan alrededor («lejos de») del citoplasma de las células. El transporte apoplástico puede ser rápido, ya que las moléculas no están siendo filtradas a través de la membrana plasmática y el citoplasma de las células, aunque éstas no tienen control alguno sobre el tipo de moléculas que se transportan. El movimiento de una molécula a través de un vegetal suele englobar tanto transporte apoplástico como simplástico. Ahora nos centraremos en los tipos de transporte apoplástico a través de las membranas plasmáticas: difusión, difusión facilitada, transporte activo, el movimiento de moléculas de gran tamaño mediante exocitosis y endocitosis, y ósmosis.

La difusión es el movimiento molecular espontáneo a favor del gradiente de concentración Si colocamos una gota de colorante alimentario rojo en un extremo de una bañera llena de agua, y una gota de colorante alimentario azul en el otro extremo, las moléculas de

◆

El transporte en los vegetales

243

cada gota se expandirán uniformemente hasta que la concentración de cada colorante sea uniforme en toda la bañera. La tendencia de las moléculas a expandirse espontáneamente dentro del espacio disponible se conoce como difusión (Figura 10.1a). En la difusión, los solutos se mueven gradualmente a través de un gradiente de concentración, esto es, una transición entre las regiones de mayor y menor concentración. En la difusión, el movimiento es a favor del gradiente de concentración, de una región de mayor a una de menor concentración. Dicho movimiento conduce a un equilibrio, una distribución aleatoria equitativa. La difusión es un tipo de transporte pasivo, pues no precisa energía. Puede tener lugar en soluciones abiertas o en dos soluciones separadas por una membrana, particularmente con respecto a sustancias liposolubles, que se mueven con facilidad entre las membranas.

La difusión facilitada y el transporte activo utilizan proteínas que cooperan en el movimiento a través de las membranas Muchas moléculas hidrosolubles son asistidas por proteínas transportadoras para su difusión a través de la membrana plasmática, un proceso conocido como difusión facilitada (Figura 10.1b). Las proteínas transportadoras suelen estar incrustadas en la membrana plasmática. Cuando una proteína transportadora se une con un soluto, la proteína cambia de forma, de tal modo que hace llegar el soluto al otro lado de la membrana. La difusión facilitada es similar a la difusión simple, puesto que el soluto se mueve de una región de mayor a una de menor concentración de solutos. Asimismo, como en todo tipo de difusión, el transporte es pasivo, lo que significa que no hay inversión de energía. Algunas proteínas transportadoras parecen actuar de manera independiente. Otras se asocian para formar canales en la membrana plasmática y pueden adoptar formas para cerrarse o abrirse, en cuyo caso se denominan proteínas de canal, regulando así el transporte de solutos. El diámetro del canal regula el tamaño de las moléculas que pueden moverse de un lado al otro de la membrana. Los sitios de unión específicos también controlan los solutos que en concreto pueden entrar al canal. Los canales pueden abrirse o cerrarse según los solutos que se transporta, o debido a la acción de otras moléculas que controlan la difusión. En ocasiones, el transporte a través de una membrana se produce en contra del gradiente de concentración, desde una región de menor a una de mayor concentración.

10_Capítulo

21/11/05

244

12:20

Página 244

UNIDAD DOS

(a) Difusión

◆

Funciones de las plantas

(b) Difusión facilitada

(d) Endocitosis y exocitosis

(c) Transporte activo

(e) Ósmosis Región de menor concentración de solutos

Exterior celular

Endocitosis

Proteínas transportadoras

H2O

Membrana plasmática Exocitosis

ATP

H2O

Proteína transportadora (acuaporina)

Región de mayor concentración de solutos Interior celular

Vesícula secretora

Vesícula

Figura 10.1.

Transporte de moléculas a través de las membranas.

(a) En la difusión, el soluto se mueve espontáneamente hacia una región de menor concentración de solutos. (b) En la difusión facilitada, las proteínas transportadoras ayudan a los solutos a difundirse con mayor rapidez a través de la membrana. (c) A diferencia de la difusión y de la difusión facilitada, el transporte activo precisa energía, a medida que las proteínas transportadoras mueven los solutos «cuesta arriba» hasta una región de mayor concentración de solutos. (d) Las vesículas mueven las moléculas de mayor tamaño hacia el interior (endocitosis) o hacia el exterior (exocitosis) de la célula. (e) El movimiento de agua a través de una membrana, denominado ósmosis, se produce en presencia o en ausencia de proteínas transportadoras. El agua se mueve hacia una región de mayor concentración de solutos (menor concentración de agua).

Dado que este transporte precisa energía para variar el gradiente, no es pasivo, como la difusión, sino que se dice que es un transporte activo (Figura 10.1c). La energía para el transporte más activo procede del ATP o de la liberación de energía de las cadenas de transporte de electrones. El transporte activo puede implicar la acción de una sola proteína o de dos proteínas. Por ejemplo, una proteína transportadora en la membrana plasmática de numerosas células vegetales utiliza la energía del ATP para bombear iones de hidrógeno (H
) al exterior de la célula. Una segunda proteína, denominada proteína cotransportadora, permite entonces que los iones H
retrocedan a través de la membrana si van acompañados de una molécula de sacarosa. La ósmosis química es una forma de transporte activo que utiliza la energía de una cadena de transporte de electrones para bombear iones H
a través de la membrana plasmática (véanse Capítulos 8 y 9). La carga diferencial a través de la membrana, similar a una pila, se utiliza a continuación como fuente de energía para

sintetizar ATP, y los iones H
retroceden a través de la membrana por la enzima ATP sintasa.

La exocitosis y la endocitosis sirven para transportar moléculas de gran tamaño Las moléculas de gran tamaño y los componentes plurimoleculares suelen abandonar las células vegetales mediante exocitosis, un proceso mediante el cual vesículas portadoras de moléculas específicas y unidas por membranas se fusionan con la membrana plasmática para liberar su contenido de la célula (Figura 10.1d). La secreción de mucigel por parte de la cofia o caliptra, la colocación de los componentes de la pared celular y la liberación de enzimas digestivas en las plantas carnívoras son ejemplos de exocitosis vegetal. Las células vegetales también pueden absorber moléculas de gran tamaño, un proceso conocido como endocitosis, mediante el cual la membrana plasmática rodea una gran molécula y la aprieta, introduciéndola en una ve-

10_Capítulo

21/11/05

12:20

Página 245

CAPÍTULO 10

sícula en el interior de la célula. En otras palabras, la endocitosis es el proceso opuesto a la exocitosis. Puesto que las células vegetales poseen pared celular, la endocitosis no es un proceso tan importante como en las células animales. Numerosas algas unicelulares son fotosintéticas y pueden también absorber moléculas orgánicas. Las moléculas individuales se absorben mediante difusión facilitada, mientras que los fragmentos mayores de muchas moléculas pueden absorberse en ocasiones mediante endocitosis.

La ósmosis es el movimiento de agua a través de una membrana selectivamente permeable El término ósmosis (del griego osmos, que significa «empuje») se refiere al movimiento de agua o cualquier otro disolvente a través de una membrana selectivamente permeable. Evidentemente, en el caso de las células, el disolvente siempre es agua. El agua fluye de manera espontánea desde una región de menor concentración de solutos (mayor concentración de agua) a una de mayor concentración de solutos (menor concentración de agua) (Figura 10.1e). Aunque el agua puede pasar directamente a través de la membrana, las proteínas transportadoras de nombre acuaporinas suelen facilitar la ósmosis formando canales que admiten específicamente el agua. La idea de que el agua se mueve espontáneamente hacia una región de mayor concentración de solutos podría no ser intuitiva. Después de todo, la difusión de un soluto implica un movimiento espontáneo «descendente» hasta una región de menor concentración de solutos. No obstante, se debe tener en cuenta que el agua es el disolvente, no un soluto. De hecho, su movimiento es también descendente hacia una región de menor concentración, sólo que esta región es de agua. En una región de mayor concentración de solutos, algunas moléculas de agua se enlazan con las moléculas de solutos, con lo que quedan menos moléculas de agua libres para el movimiento, lo que da lugar a una menor concentración de agua. En un área de menor concentración de solutos, hay menos moléculas de solutos, por lo que hay más cantidad de moléculas de agua no enlazadas, libres para el movimiento. Por eso, el agua se mueve hasta un área de menor concentración de agua (mayor concentración de solutos). La ósmosis es similar a la difusión de solutos en tanto cada sustancia se mueve de forma espontánea hacia una región donde dicha sustancia está menos concentrada. Al igual que otras sustancias que se mueven a través de una membrana, el agua tiende a fluir para igualar su concentración.

◆

El transporte en los vegetales

245

En el crecimiento celular, el potencial osmótico del interior de la célula interactúa con la presión generada por la pared celular Las células vegetales vivas contienen entre un 70% y un 80% de agua. Como el agua ocupa espacio, una célula que absorbe agua ha de incrementar su tamaño. Recordemos que las células de las plantas poseen paredes celulares rígidas que resisten la expansión. Por tanto, el crecimiento celular implica que la cantidad de agua se incremente y que la pared celular se debilite. El crecimiento de una célula vegetal se asemeja al crecimiento de un globo de agua dentro de una caja de cartón. Para aumentar el tamaño del globo, podemos incrementar la presión interna añadiendo más agua al globo, pero también debemos debilitar las paredes de la caja o aumentar su tamaño. El contenido celular absorbe agua debido a una fuerza denominada potencial osmótico, la medida de la tendencia del agua a moverse a través de una membrana como resultado de la concentración de solutos. El potencial osmótico también recibe el nombre de potencial de solutos. Puesto que el agua se mueve hacia una región de mayor concentración de solutos, la dirección de su movimiento depende de las concentraciones de solutos existentes en el interior y exterior de la célula. Con frecuencia, el potencial osmótico se demuestra colocando una bolsa de solución de azúcar rodeada de una membrana en el interior de un contenedor de agua pura. Las moléculas de azúcar son solutos de gran tamaño que no pueden atravesar la membrana selectivamente permeable, mientras que las moléculas de agua más pequeñas sí pueden hacerlo. La solución de azúcar en el interior de la bolsa posee una concentración de solutos mayor que la solución en el exterior de dicha bolsa, y se dice por tanto que es hipertónica (del griego hyper, «sobre») con respecto a la solución del exterior. La solución con la menor concentración de solutos se dice que es hipotónica (del griego hypo, «por debajo»). Dadas estas condiciones, el agua fluye hacia el interior de la bolsa, expandiéndola. El flujo osmótico se produce desde una región de menor concentración de solutos (mayor concentración de agua) a una de mayor concentración de solutos (menor concentración de agua). Si ambas soluciones tuvieran una concentración de solutos equivalente, se denominarían soluciones isotónicas (del griego isos, «igual»), las cuales se caracterizan por el equilibrio, sin flujo neto de agua en cualquiera de las direcciones. La bolsa de solución de azúcar puede compararse a un protoplasto, el contenido de la célula vegetal salvo la pared

10_Capítulo

21/11/05

246

12:20

Página 246

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

dad de células se vuelven fláccidas en un vegetal, el tallo y las hojas podrían marchitarse. Si la concentración de solutos en el exterior de la célula excede la del interior, se produce un flujo neto de agua hacia el exterior, lo que hace que la membrana plasmática se aleje de la pared celular, un proceso conocido como plasmólisis (Figura 10.2c). Cuando se produce plasmólisis, el vegetal se marchita y las conexiones citoplásmicas entre células se rompen, de modo que el transporte floemático se frena. En casos extremos de plasmólisis, el vegetal muere. El estado ideal de una célula vegetal difiere del de una célula animal. Como las células animales no poseen pared celular, se expanden o encogen según el agua se mueva hacia el interior o hacia el exterior de la célula, con el riesgo potencial de explotar o secarse. En una célula animal normal, las concentraciones de solutos en el interior y exterior

celular. La concentración de solutos de una célula vegetal, que contiene minerales y moléculas orgánicas, como azúcares y aminoácidos, suele ser mayor que la del entorno celular. Al igual que la bolsa de solución de azúcar, una célula típica está rodeada por una solución hipotónica, lo que provoca un flujo neto de agua hacia el interior de la célula (Figura 10.2a). El protoplasto absorbe de manera espontánea el agua circundante hasta que la presión de la pared celular, conocida como potencial de presión, impide una mayor expansión del cloroplasto. En estas condiciones, la membrana plasmática es empujada contra la pared celular, haciendo que la célula se vuelva turgente o firme, que es el estado normal o deseable para una célula vegetal. Si las concentraciones de solutos en el interior y en el exterior de la célula son isotónicas, o iguales, el protoplasto está fláccido o flojo (Figura 10.2b). Si una gran canti-

H2 O

Exterior celular: • Menor concentración de solutos • Mayor potencial hídrico Interior celular: • Mayor concentración de solutos • Menor potencial hídrico

Núcleo Membrana plasmática

Vacuola

Pared celular

Cloroplasto Célula turgente

H2O

(a) Célula vegetal rodeada de una solución hipotónica. Si la solución del exterior de la célula es hipotónica, se produce un flujo neto de agua hacia el interior de la célula. Éste es el estado normal de una célula vegetal, la turgencia. El protoplasto expandido presiona la membrana plasmática contra la pared celular.

H2 O

Exterior e interior celulares: • Concentraciones de solutos iguales • Potenciales hídricos iguales

Célula fláccida

(b) Célula vegetal en condiciones isotónicas. Si las soluciones en el interior y el exterior poseen concentraciones de solutos iguales, se produce un equilibrio. La célula vegetal está fláccida, y la pérdida de turgencia puede provocar que el tallo y las hojas se marchiten.

H2 O Exterior celular: • Mayor concentración de solutos • Menor potencial hídrico

(c) Célula vegetal rodeada de una solución hipertónica. Si la solución exterior es hipertónica, se produce un flujo neto de agua hacia el exterior de la célula. Esta pérdida de agua puede derivar en plasmólisis.

Interior celular: • Menor concentración de solutos • Mayor potencial hídrico Célula en estado de plasmólisis parcial

Figura 10.2.

Ósmosis y regulación del equilibrio hídrico.

En la ósmosis, el agua se mueve desde un área de mayor potencial hídrico (menor concentración de solutos) a una de menor potencial hídrico (mayor concentración de solutos). En un medio hipotónico, la pared celular impide que la célula vegetal absorba demasiada agua y pueda explotar. Sin embargo, la pared celular no puede impedir que la célula pierda agua en un medio hipertónico, lo que puede derivar en plasmólisis.

10_Capítulo

21/11/05

12:20

Página 247

CAPÍTULO 10

de la célula son isotónicas. En contrapartida, el estado deseable para una célula vegetal es la turgencia, en que la célula posee una mayor concentración de solutos que su entorno. El término potencial hídrico se utiliza para referirse a una medida que predice hacia dónde tenderá el agua a fluir entre una célula vegetal y su entorno, o entre las diferentes partes del vegetal, como la raíz y las hojas. El potencial hídrico se define como la combinación del potencial osmótico (el efecto de las concentraciones de solutos) y el potencial de presión (el efecto de la presión de la pared celular). Estos potenciales se miden con las mismas unidades, representadas por la letra griega psi (ψ). El potencial hídrico se identifica como ψh, el potencial de presión como ψP y el potencial osmótico (de solutos) como ψO. La ecuación para el potencial hídrico es ψh  ψP
ψO. El potencial osmótico siempre es cero o un número negativo, mientras que el potencial de presión siempre es un número positivo. El potencial hídrico puede ser positivo, cero o negativo, dependiendo de si la célula se encoge, está en estado de equilibrio o se expande. Si el potencial osmótico y el potencial de presión se equilibran, el potencial hídrico es cero, y la célula no se expande ni se encoge. Si el potencial osmótico es más negativo (más fuerte) que el potencial de

◆

El transporte en los vegetales

presión, entonces el potencial hídrico es negativo, y la célula se expande al absorber agua. En la mayoría de las células vegetales vivas, el potencial hídrico suele ser cero o negativo, lo que indica que si la pared celular no estuviera presente, el protoplasto absorbería agua. Dado que estamos manejando números negativos, un potencial de agua mayor o menor quiere decir «menos negativo» o «más negativo», lo que puede resultar confuso. En términos matemáticos, un potencial hídrico menor es efectivamente un número menor (más negativo). Sin embargo, en términos físicos, una célula u órgano vegetal con un potencial hídrico menor (más negativo) posee una mayor capacidad de absorción de agua. Luego, si hablamos del potencial hídrico, podríamos aplicar la máxima de «menos es más». Recordemos simplemente que un potencial hídrico más negativo implica una mayor capacidad de absorción de agua. El agua se mueve de una región de mayor a una de menor potencial hídrico, esto es, desde donde el potencial hídrico es cero o negativo, hasta donde es más negativo. Con respecto al flujo general de agua en una planta, el potencial hídrico se vuelve cada vez más negativo (más fuerte), a medida que el agua se mueve de la raíz a las hojas. Las células foliares poseen mayor capacidad de absorción de agua que las células radiculares.

EL FASCINANTE MUNDO DE LAS PLANTAS La fuerza de los vegetales La fuerza del potencial hídrico mediante el cual la célula se expande y absorbe agua suele estar entre 2 y 6 atmósferas. Las semillas en germinación utilizan la presión generada por el potencial hídrico para abrirse paso a través del suelo, hojas y otros materiales que las hayan cubierto. Entretanto, a medida que la raíz se expande, genera importantes presiones que la ayudan a penetrar en el suelo. Pensemos en el esfuerzo necesario para cavar con una pala un agujero en un suelo seco y duro. Ciertamente, las raíces vegetales pueden penetrar este denso material. Un efecto obvio de la fuerza de los vegetales se aprecia en las aceras de las ciudades, que con frecuencia se desplazan, levantan e incluso rompen debido al crecimiento de las raíces vegetales. De manera no tan obvia, numerosos sistemas domésticos de desagüe se han visto dañados por el crecimiento de raíces hacia una fuente de agua. En la naturaleza, las plántulas de árboles germinan en ocasiones en grietas en lo alto de enormes rocas y terminan por dividirlas completamente en dos. Asimismo, las plantas de interior pueden romper las macetas como

247

resultado del crecimiento radical. Incluso las pequeñas plántulas pueden elevar pedruscos de varias veces su tamaño durante la germinación.

Desperfectos en una acera provocados por raíces.

10_Capítulo

21/11/05

248

12:20

Página 248

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

La presión del potencial hídrico puede expresarse matemáticamente de diversas maneras, utilizando unidades como atmósferas, milímetros de mercurio (mm de Hg), kilopascales (KPa) y libras por pulgada cuadrada (sistema anglosajón). Por ejemplo, si estamos a nivel del mar, la presión de todos los gases atmosféricos es de 1 atmósfera, 760 mm de Hg, 101,3 KPa, 0,101 megapascales (MPa) o 17,4 libras por pulgada cuadrada. Comparativamente, los vástagos y raíces en crecimiento generan potenciales hídricos de entre 2 y 12 atmósferas. Así, no es de extrañar que las raíces en crecimiento puedan levantar secciones del pavimento o hacer caer muros de contención (véase el cuadro El fascinante mundo de las plantas en la página 247). El potencial hídrico generado por una célula u órgano vegetal puede medirse de diferentes maneras. La célula u órgano puede ponerse en competencia por el agua disponible con una solución externa, que no tiene acceso a dicha célula u órgano. La concentración mínima de la solución que detiene la expansión de la célula o del órgano vegetal es igual al potencial hídrico. O bien, se puede colocar tejido vegetal en una cámara cerrada permitiéndole la absorción de agua de un pequeño suministro, con la temperatura del agua estrictamente controlada. A medida que el agua se evapora, la temperatura del agua restante se enfría, lo que indica la tasa de evaporación. La tasa de evaporación se controla electrónicamente para medir el movimiento de agua en el interior de la célula u órgano vegetal.

Repaso de la sección 1. Explica la diferencia entre transporte simplástico y transporte apoplástico. 2. ¿En qué se diferencian la difusión facilitada y la difusión simple? 3. Compara y contrasta la ósmosis y la difusión de solutos. 4. ¿Cómo afectan las variaciones en la concentración de solutos a una célula vegetal? 5. ¿Qué es el potencial hídrico?

Movimiento y absorción de agua y solutos en los vegetales Una vez estudiado el transporte celular, nos centraremos ahora en el movimiento general de agua y solutos en un vegetal. Los vegetales obtienen el agua y los minerales del

suelo, y se sirven del xilema para transportarlos desde la raíz hasta el resto del vegetal. Las hojas necesitan el agua y los minerales para llevar a cabo la fotosíntesis y para sintetizar los numerosos tipos de moléculas utilizados por las plantas. En las hojas, la fotosíntesis y otros procesos bioquímicos fabrican azúcar y otras moléculas orgánicas, que el floema se encarga de transportar a toda la planta (Figura 10.3).

La evaporación del agua en las hojas hace subir el agua desde la raíz a través del xilema El sistema vascular transporta agua, minerales y moléculas orgánicas por toda la planta. El xilema se compone de traqueidas y, en el caso de las plantas con flores, de elementos de los vasos (véase el Capítulo 4). Estas células muertas se hacen cargo del transporte de agua y minerales desde la raíz hasta el tallo y las hojas, donde el agua se evapora por los estomas mediante el proceso conocido como transpiración. Un árbol de gran tamaño en un bosque puede transpirar entre 700 y 3.500 litros al día durante el verano. En comparación, una típica planta de cultivo transpira mucho menos. Por ejemplo, el maíz transpira aproximadamente 2 litros por día y planta. Con todo, esta cantidad sigue siendo significativa, pues supone una transpiración diaria de 60.000 litros por media hectárea, un área de aproximadamente el tamaño de un campo de fútbol. Durante un período vegetativo, media hectárea de maíz utilizará 6 millones de litros. Si esta cantidad de agua se concentrara al mismo tiempo en esa media hectárea, alcanzaría medio metro de profundidad. En consecuencia, los agrónomos están interesados en desarrollar plantas de cultivo que necesiten menos agua (véase el cuadro Biotecnología en la página 248). La planta necesita agua para el crecimiento y la fotosíntesis celulares, así como para procurar minerales para la biosíntesis de proteínas, nucleótidos y otras moléculas. Con todo, bastarían pequeñas cantidades de agua para suplir estas necesidades. En realidad, la transpiración, que parece implicar una pérdida de agua, cumple con dos funciones necesarias. En primer lugar, refresca las hojas, que se calientan debido a la luz solar absorbida en la fotosíntesis. En segundo lugar, funciona como una bomba que tira del agua y de los minerales hidrosolubles desde la raíz. El hecho de que una planta bombee agua desde la parte superior era chocante para los fisiólogos vegetales, teniendo en cuenta cómo funciona una bomba mecánica, como por ejemplo, una

10_Capítulo

21/11/05

12:20

Página 249

CAPÍTULO 10

◆

El transporte en los vegetales

249

O2 Luz

H2O Azúcar

Las hojas absorben CO2 y liberan O2

La transpiración “tira” de la savia xilemática hacia arriba

CO2

CO2 Azúcar

O2 Azúcar

Las hojas producen azúcares mediante la fotosíntesis

H2O

H2O El xilema transporta agua y minerales de la raíz

El floema transporta los azúcares de las hojas

La raíz absorbe O2 y libera CO2

H2O La raíz absorbe agua y minerales

O2 Minerales CO2

O2 CO2

H2O

H2O

Minerales

Figura 10.3.

Esquema del transporte de agua y solutos en los vegetales.

bomba para un pozo. Una bomba situada en lo alto de un pozo de agua sólo puede bombear a 10,36 m o menos, puesto que las columnas de agua mayores de 10,36 m se romperían a causa de su peso. Por este motivo, la mayoría de los pozos poseen bombas en la base, donde no tiene lugar esta limitación. Entonces, ¿cómo se bombea el agua desde la parte superior de una planta? Las plantas, y en especial los árboles de gran altura, son capaces de «bombear» desde la parte superior de la columna de agua gracias al diseño del tejido xilemático y a las características del agua. El agua es una molécula polar, es decir, una molécula con polos cargados positiva y negativamente. Por lo tanto, el polo positivo de una molécula

de agua atrae al polo negativo de otra. Esta característica ayuda a explicar tres comportamientos de las moléculas de agua: adhesión, cohesión y tensión. ◆

Adhesión es la atracción entre diferentes tipos de moléculas. En las plantas, la adhesión se produce entre las moléculas de agua y las moléculas de la pared celular. El agua se mueve hacia la parte superior del vegetal en una corriente continua que en ocasiones se interpreta como una columna de agua. En realidad, la columna pasa a través de millones de estrechas células xilemáticas, donde las paredes de celulosa se adhieren a las moléculas de agua, uniéndose y sujetando diminutos

10_Capítulo

21/11/05

250

12:20

Página 250

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

B IO T E C NO L O G ÍA Cultivos con un uso eficaz del agua

¿P

ueden los científicos desarrollar plantas que utilicen menos agua y lleven a cabo una transpiración más eficaz? De manera indirecta, cualquier incremento en eficiencia se traduce en un ahorro de agua. Si el vegetal cuenta con un período de tiempo menor para alcanzar la madurez, o una fotorrespiración más reducida, o una arquitectura que produzca más semillas en cada vegetal, el efecto neto es el ahorro de agua. Por ejemplo, los siguientes rasgos ayudan al trigo a tolerar las sequías:

◆ El tamaño grande en las semillas aprovisiona más

alimentos para la germinación en suelos secos y duros. ◆ Los coleóptilos largos (la cobertura que envuelve las

◆ ◆ ◆ ◆

◆ ◆ ◆

primeras hojas que se abren paso a través del suelo) permiten una siembra más profunda, donde el suelo es más frío y posee más humedad. Las hojas más delgadas y anchas dan sombra al suelo y difunden el calor con mayor rapidez. El crecimiento postrado (horizontal) da sombra al suelo. La alta capacidad fotosintética de la espiga floral conlleva un desarrollo rápido de la semilla. El ajuste rápido a la presión osmótica conlleva que las células produzcan solutos extra para evitar la pérdida de agua. La acumulación de ácido abscísico controla el cierre de los estomas y, en consecuencia, la pérdida de agua. Las hojas vellosas y cerosas difunden la luz solar e impiden la pérdida de agua por las células epidérmicas. La tolerancia al calor ofrece protección ante las elevadas temperaturas que suelen acompañar a las sequías.

Una variedad de trigo con estos rasgos puede lograrse mediante la reproducción tradicional o mediante Ingeniería Genética, si se identifican los genes en cuestión. El uso de la Ingeniería Genética para mejorar la tolerancia a las sequías es objeto de un creciente interés y sigue numerosas rutas experimentales. He aquí tres ejemplos que nos sirven a modo de introducción: Los científicos están interesados en la producción de plantas mediante Ingeniería Genética que conviertan el azúcar de mesa, la sacarosa, en polímeros de azúcar denominados fructanos de cadena corta, producidos de manera natural por algunas plantas, como la cebolla. Estas

segmentos de la columna. Por tanto, la columna no corre el riesgo de romperse debido a su propio peso. Las toallitas de papel, fabricadas a partir de pulpa de madera, son una buena muestra de la adhesión de la celulosa a las moléculas de agua.

moléculas tienen un sabor más dulce que la sacarosa, pero no aportan calorías al ser humano. En la actualidad, la síntesis de fructanos de cadena corta supone un proceso industrial costoso. Un beneficio agronómico derivado de esta investigación ha sido el descubrimiento de que las plantas modificadas genéticamente para producir fructanos de cadena corta presentan también una tolerancia superior a las sequías. Semejante aumento de la tolerancia puede deberse a las interacciones con las membranas o a que las moléculas actúan como un protector osmótico que no circula hacia el exterior de las células. La exitosa introducción de la ruta fotosintética C4 en el arroz (véase el Capítulo 14) debería incrementar de manera señalada la producción bajo las condiciones de temperaturas y niveles de luz elevados en las que el arroz crece. Algunos científicos de la Universidad de California produjeron Arabidopsis hipersensible al ácido abscísico, con lo que cierra sus estomas con mayor rapidez en respuesta al incremento de stress (hídrico). Después de no regarlos durante 12 días, los vegetales modificados genéticamente presentaban un aspecto sano, mientras que las plantas normales estaban marchitas y mustias. Aunque dichos vegetales no se ven aún en las tierras de cultivo, estos fascinantes resultados garantizan la continuación de las investigaciones.

Campos de regadío en Oregón.

◆

Las columnas de agua del xilema también presentan cohesión, la atracción entre moléculas del mismo tipo. Puesto que son muy polares, las moléculas de agua se enlazan unas con otras, lo que ayuda a sostener la columna de agua.

10_Capítulo

21/11/05

12:20

Página 251

CAPÍTULO 10

◆

Las columnas de agua del xilema experimentan tensión, la presión negativa sobre el agua o soluciones. En el xilema, la transpiración a través de los estomas es la causante de la tensión. El agua que se evapora de los estomas hacia el aire «tira» de la columna de agua hacia arriba, de forma parecida a cuando una persona sorbe por una pajita, «tirando» del fluido hacia arriba. En las plantas, la tensión se transmite de manera descendente por el tallo o tronco. De hecho, el diámetro del tronco de un árbol se encoge durante la transpiración, del mismo modo que, al sorber enérgicamente por una pajita, ésta se deforma.

La mayoría de fisiólogos recurren a la teoría de la tensión-colisión para explicar el transporte en el xilema (Figura 10.4). En realidad, mientras que tanto la tensión como la cohesión son importantes, la adhesión es esencial. Un pozo de agua de 15,2 m de profundidad no puede bombearse desde la parte superior. Sin embargo, mediante la transpiración, un árbol de 15,2 m puede «tirar» del agua desde la base del árbol hasta la parte superior. Dos diferencias importantes explican el fallo del pozo y el logro del árbol. En ambos casos, la columna de agua presenta la cohesión entre las moléculas de agua y la tensión creada por la bomba. A diferencia del árbol, el canal por el que asciende el agua del pozo no se encoge en respuesta a la tensión, de modo que la tensión originada por la bomba no se transmite hacia la parte inferior de la columna. La otra diferencia es que el canal del pozo posee pocos componentes adhesivos, si no ninguno. Algunos estudios con isótopos radiactivos disueltos en agua han mostrado con claridad que el xilema transporta agua. En ocasiones, la tensión de la columna de agua en un tallo hace que se rompa y que se formen burbujas de aire. En algunos casos, los vegetales pueden reparar el daño volviendo a disolver la burbuja de aire, normalmente durante la noche. Esto sucede porque la presión de los tejidos de alrededor reconducen el agua con la burbuja de aire hacia el interior de la célula, reduciendo el tamaño de la burbuja y, por ende, eliminándola. Puesto que hay numerosas células individuales en el xilema, las burbujas de aire suelen limitarse a unas pocas traqueidas, y la corriente de agua simplemente fluye alrededor de ellas. En el caso de los vasos, la ruptura de una columna de agua interrumpe el transporte en todo el vaso, no sólo en uno de sus elementos. Los árboles de más altura corren un mayor riesgo de ruptura de columnas de agua. Una tasa de transpiración más elevada aumenta la tensión en las columnas y, por tanto, el riesgo de ruptura. Los árboles más altos,

◆

El transporte en los vegetales

251

(a) Transpiración en las hojas

Hoja

Savia xilemática Células del mesófilo

Estoma Agua Atmósfera (b) Cohesión y adhesión en el xilema Adhesión de una molécula de agua a la pared celular Cohesión de las moléculas de agua mediante enlaces de hidrógeno

Rama

Células xilemáticas (c) Absorción de agua del suelo

Raíz

Agua

Partícula del suelo

Figura 10.4.

Molécula de agua en el interior de un pelo radicular

El agua y solutos disueltos fluyen desde la raíz al vástago.

(a) La evaporación de agua a través de los estomas genera un gradiente de potencial hídrico que es más negativo en la parte superior del árbol. (b) La cohesión de moléculas de agua entre sí y su adhesión a las paredes de celulosa de las traqueidas mantienen la columna de savia intacta. (c) La raíz absorbe agua del suelo.

como las secuoyas costeras, viven en un hábitat húmedo con niebla abundante y niveles bajos o moderados de transpiración. Como resultado de la transpiración, el potencial hídrico se vuelve cada vez más negativo a medida que el agua se mueve desde el suelo hacia las hojas. Por ejemplo, el potencial hídrico del suelo podría ser 0,3 MPa, mientras

10_Capítulo

21/11/05

252

12:20

Página 252

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

que el de los pelos radicales es 0,6 MPa. Por consiguiente, el agua fluirá del suelo hacia el interior de la raíz. A mitad del tronco, el potencial hídrico sería 0,7 MPa, mientras que en la hoja descendería a 3,0 MPa. El potencial hídrico del aire en el exterior de la hoja podría estar entre 5,0 MPa y 100,0 MPa. De este modo, un potencial hídrico cada vez más negativo mantiene el flujo de agua desde el suelo hacia el interior y hacia arriba, en el tallo (tronco), y hacia el exterior, al aire, en las hojas. La absorción de agua en la raíz se produce a través de las largas células epidérmicas conocidas como pelos radicales, que se desarrollan justo por encima del meristemo apical de la raíz (véase el Capítulo 4). El potencial hídrico de los pelos radicales refleja si el vegetal necesita agua o no. Los pelos radicales también compiten directamente con las partículas del suelo por el agua y pueden ganar o perder, dependiendo de lo seco que esté el suelo. Entre los pelos radicales y la endodermis, el agua puede fluir entre las células (transporte apoplástico) o a través del citoplasma de dichas células (transporte simplástico) (Figura 10.5). No obstante, cuando el agua alcanza la endodermis, la banda de Caspary se asegura de que el agua y los minerales disueltos se filtren a través de las células endodérmicas, dando así a la membrana la oportunidad de controlar la absorción de iones (véase el Capítulo 5). El potencial hídrico negativo de las células radicales resulta en una absorción de agua suficiente como para generar presión en la raíz. Si se corta un tallo, la raíz conti-

Ruta apoplástica

Epidermis

núa impulsando agua hacia arriba por él. El agua que la presión radical empuja hacia el interior del tallo podría terminar abandonando las hojas en forma de gotitas a través de regiones epidérmicas especializadas, mediante un proceso denominado exudación, también conocido como gutación. Los primeros investigadores creyeron que la presión radical era responsable del movimiento de agua hasta la parte superior de los árboles de gran altura, pues funcionaba como una bomba en la base de un pozo. Sin embargo, la presión radical sólo puede mover el agua alrededor de un metro, y es más lenta durante el día, cuando la transpiración es máxima. El potencial hídrico de los órganos vegetales puede medirse aplicando presión en el interior de un contenedor hermético. Por ejemplo, se puede colocar un tallo en dicho contenedor, con un extremo cortado sobresaliendo por un agujero en la parte superior. Se aplica presión hasta que aparece agua en el extremo sobresaliente del tallo cortado o en los estomas de las hojas. En este momento, la presión aplicada es igual al potencial hídrico del tallo.

Los estomas controlan el intercambio de gases y la pérdida de agua de las plantas Las plantas deben mantener la suficiente cantidad de agua en los tejidos para evitar la pérdida de turgencia y el consiguiente marchitamiento, que sucede cuando la membrana plasmática no está presionando su pared celular. La

Córtex Estela Endodermis

Figura 10.5. Pelos radiculares Raíz Cofia o caliptra

Pelo radicular

El agua y los iones minerales se introducen en los pelos radicales desde el suelo y fluyen, a través del simplasto (células vivas) o apoplasto (paredes celulares), hasta los vasos y traqueidas del xilema. Como el agua y los iones minerales pasan a través de la endodermis, la banda de Caspary necesita la ruta simplástica.

Banda de Caspary Vasos del xilema Banda de Caspary Pelo radicular Ruta simplástica

Ruta de minerales y agua desde un pelo radical al xilema.

Ruta por el apoplasto Ruta por el simplasto Endodermis

10_Capítulo

21/11/05

12:20

Página 253

CAPÍTULO 10

pérdida de turgencia interrumpe la comunicación intercelular, así como el suministro de nutrientes y hormonas preciso para mantener a la planta y controlar su funcionamiento. Como resultado de la elevada tasa de transpiración necesaria para el enfriamiento de las hojas y para bombear el agua desde la raíz, pueden producirse con rapidez grandes y peligrosas pérdidas de agua. La planta ha de ser capaz de responder a una serie de estímulos medioambientales para controlar el equilibrio hídrico, es decir, que el potencial hídrico de una célula o tejido sea cero. La capa cerosa denominada cutícula, presente en la parte externa de la mayoría de las células epidérmicas foliares, evita que se pierda demasiada agua. El 90% de la pérdida de agua en un vegetal se produce a través de los estomas,

253

El transporte en los vegetales

◆

los poros rodeados de las células oclusivas o de guarda. Los estomas se localizan en la epidermis de todas las partes superficiales del vegetal, y el lugar en el que son más frecuentes es en el envés de las hojas, donde la temperatura es más baja y hay menos probabilidades de que el polvo depositado por el aire los obstruya. En la superficie foliar, puede haber hasta 10.000 estomas por centímetro cuadrado. Cuando hay suficiente agua disponible, las células oclusivas fotosintéticas de los estomas absorben agua y se curvan, como globos inflados en exceso, para abrir un poro que permite el intercambio de gases con los espacios de aire que constituyen del 15% al 40% de la parte interna de una hoja (Figura 10.6). Los estomas se abren en respues-

Pared celular Células turgentes/ estoma abierto

H2O

H2O

H2O

K+ Célula oclusiva Vacuola

Células fláccidas/ estoma cerrado

H2O

H2O

H2O H2O

H2O (a)

10 µm

Potencial hídrico elevado

Célula oclusiva (d)

Potencial hídrico bajo

H2O

(b)

Figura 10.6.

H2O

(c)

Apertura y cierre de los estomas.

(a) Estomas abiertos y cerrados en una hoja de cinta (Chlorophytum comosum). (b) La orientación de las microfibrillas de celulosa ocasiona que las células oclusivas se alarguen en lugar de ensancharse a medida que absorben agua. De esta manera, se tuercen, abriendo el poro del estoma hacia el interior de la hoja. (c) Los iones de potasio (K
) se mueven hacia el interior de las células oclusivas para provocar la absorción de agua y la apertura del poro del estoma. (d) En el interior de la hoja, el vapor de agua es abundante, la humedad es elevada y el potencial hídrico es negativo. En el exterior de la hoja, el vapor de agua es menos abundante, la humedad es más baja y el potencial hídrico es muy negativo.

10_Capítulo

21/11/05

254

12:20

Página 254

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

ta a la decreciente concentración interna de CO2 y a la luz azul del espectro visible. Se cierran en respuesta a la creciente concentración interna de CO2, a temperaturas elevadas, al viento, a la falta de humedad y a la acción de la hormona ácido abscísico (ABA). En un típico día de verano, los estomas se cierran al amanecer. A medida que la luz solar estimula la fotosíntesis, los estomas se abren en respuesta al nivel de CO2 y a la luz azul, y permanecen abiertos hasta el anochecer, salvo si aparecen condiciones que suscitan la pérdida de agua. El ácido abscísico controla la apertura y cierre de los estomas por parte de las células oclusivas. Cuando existe un nivel alto de ABA en dichas células, éstas pierden agua, y el poro se cierra. El ácido abscísico, que se produce en la raíz en respuesta a un suelo seco, se transporta a las hojas y da aviso anticipado de una sequía. Cuando existen niveles bajos de ABA en las células oclusivas, éstas absorben agua, y el poro se abre. Mediante el control del diámetro de los estomas, el vegetal puede regular la tasa de pérdida de agua provocada por la transpiración. En días calurosos, secos y ventosos, los estomas permanecen cerrados. Evidentemente, el cierre de los estomas ahorra agua, pero también reduce la absorción del CO2 necesario para la fotosíntesis. En estas condiciones, el vegetal perderá carbono a través de la fotorrespiración (véase el Capítulo 8). Las plantas están constituidas de forma que los estomas se cierran, dando lugar a una fotosíntesis menor, antes de que la fotorrespiración aumente notablemente.

Los azúcares y otras moléculas orgánicas se mueven desde las hojas hasta la raíz a través del floema En las plantas, el transporte de azúcar y otras moléculas orgánicas tiene lugar en el floema. En el floema de las plantas con flores, las moléculas orgánicas se transportan a través de los elementos de los tubos cribosos y sus células anexas (véase el Capítulo 3). El floema mueve la savia desde la zona fuente de azúcares hasta la zona sumidero de azúcares. Una fuente de azúcares es la parte de un vegetal (generalmente las hojas y tallos verdes) que produce azúcar. Un sumidero de azúcares es la parte de un vegetal que fundamentalmente consume o almacena azúcar, como la raíz, el tallo y los frutos. El transporte de azúcar es impulsado por la absorción de agua y, en consecuencia, es necesaria la presencia de la membrana plasmática selectivamente permeable de una célula viva. Al igual que sucede con el agua y los minerales, el azúcar y otras moléculas orgánicas pueden moverse median-

te transporte simplástico o transporte apoplástico. En el caso del azúcar, el azúcar sintetizado en las células del mesófilo foliar debe transportarse a las células del floema (Figura 10.7a). El transporte simplástico es más común en los vegetales de climas cálidos, en los que las moléculas permanecen en el interior de las células para pasar a través de los plasmodesmos (canales intercelulares) desde las células del mesófilo hasta las células floemáticas. El transporte simplástico es más común en los vegetales de climas templados o fríos, en los que las moléculas siguen una ruta externa a la membrana plasmática a medida que se mueven desde las células del mesófilo hacia el floema. Con frecuencia, estos vegetales almacenan azúcar en las paredes celulares de las células cercanas al floema. Las células anexas absorben el azúcar y lo pasan a los elementos de los tubos cribosos a través de los plasmodesmos. Algunas células anexas presentan protuberancias y crecimientos internos que aumentan la superficie entre ellas y los elementos de los tubos cribosos. Dichas células anexas modificadas se conocen como células de transferencia. Cuando las moléculas transportadas en la ruta apoplástica se adentran en los elementos de los tubos cribosos, se precisa energía, como cuando se utiliza el ATP para bombear iones H
hacia el exterior de las células (Figura 10.7b). A continuación, los iones H
y las moléculas de azúcar entran juntos en la célula, con la ayuda de una proteína cotransportadora. El mecanismo de transporte del floema es diferente al movimiento de agua y minerales en el xilema inducido por la transpiración. En el floema, el azúcar que pasa a los elementos de los tubos cribosos genera potencial osmótico y absorción de agua. La presión de turgencia desarrollada por la absorción de agua mueve el agua y el azúcar en sentido descendente por el floema, hasta que el azúcar se deposita en las células radicales y en otras células necesitadas de energía. Los poros abiertos en cada extremo de un elemento del tubo criboso permiten que se establezcan conexiones directas entre las células, de manera que la solución de azúcar puede moverse con facilidad por el floema. Si se añade más presión en el extremo hoja (fuente de azúcares) y se reduce en el extremo raíz (sumidero de azúcares), la savia floemática continúa en movimiento. Cuando el azúcar alcanza los sumideros de azúcares, como la raíz, el agua abandona los elementos de los tubos cribosos portando solutos, como azúcar. Propuesto por primera vez por Ernst Munch en 1927, el mecanismo de transporte floemático se conoce como hipótesis presión-flujo (Figura 10.8). Pese a que se requiere la presencia de células vivas, el proceso de transporte real, inducido por ósmosis, es pasivo.

10_Capítulo

21/11/05

12:20

Página 255

CAPÍTULO 10

255

El transporte en los vegetales

◆

Concentración de H+ baja

Concentración de H+ alta H+

ATP H+

H+ ADP + P

i

H+ H+

ATP sintasa

Pared celular (apoplasto)

H+

H+

H+

Células del mesófilo Elemento del tubo criboso Célula anexa (de transferencia) Célula del parénquima floemático

Célula envolvente del haz

Membrana plasmática Plasmodesmos

(a) Desde la célula del mesófilo fotosintético, la sacarosa sigue una ruta simplástica hacia el interior del parénquima floemático. A continuación, la ruta puede ser apoplástica o simplástica hasta las células anexas y los elementos de los tubos cribosos.

Figura 10.7.

Proteína cotransportadora Simplasto

Sacarosa Apoplasto

(b) La entrada de sacarosa desde las paredes celulares en las células anexas o en los elementos de los tubos cribosos implica el bombeo de iones de hidrógeno para generar un gradiente de energía y el co-transporte de los iones de hidrógeno de vuelta hacia las células.

Transporte de la sacarosa al floema.

Los áfidos (pulgones) chupadores de floema han facilitado información muy valiosa sobre el transporte floemático. La savia floemática contiene entre un 10% y un 20% de azúcar, y otras moléculas orgánicas en menor porcentaje, como los aminoácidos. Un áfido común se alimenta introduciendo su puntiagudo aguijón en forma de pajita a través del tejido de la hoja o del tallo, hacia el interior del floema, rico en azúcar. La presión de turgencia de los elementos de los tubos cribosos empuja entonces la savia floemática a través del intestino del áfido para emerger como gotas de «melaza» por el extremo del abdomen del insecto. Si se anestesia el áfido para evitar la retirada del aguijón de la planta, y en cambio se retira el resto de su cuerpo, el aguijón exuda savia floemática pura durante varias horas, sirviendo de surtidor para los botánicos, que lo pueden utilizar para medir el flujo (Figura 10.9). La savia floemática se mueve a una velocidad de hasta 1 m por hora. Ni la difusión ni la corriente citoplásmica pueden alcanzar una velocidad tan grande. La presión desarrollada en las célu-

las floemáticas de las hojas por la absorción osmótica de agua es la explicación de semejantes tasas de transporte.

Repaso de la sección 1. Define la transpiración y explica cómo llega el agua a la parte superior de los árboles de gran altura. 2. ¿Cómo controlan los estomas el intercambio de gases y la pérdida de agua? 3. ¿Cómo llega el azúcar desde las hojas hasta la raíz?

Suelo y minerales, nutrición de los vegetales Ya sabemos que los vegetales obtienen los minerales que necesitan del suelo. La absorción de iones minerales se produce a través de los pelos radicales al mismo tiempo

10_Capítulo

21/11/05

256

12:20

Página 256

UNIDAD DOS

◆

1 La entrada de azúcar reduce el potencial hídrico en los elementos de los tubos cribosos, provocando que los tubos absorban agua.

Funciones de las plantas

2 La presión del agua fuerza el flujo de savia a través de los elementos de los tubos cribosos.

Célula anexa

Agua

Fuente de azúcares (célula foliar)

Elementos de los vasos del xilema

Elementos de los tubos cribosos del floema

1

(a) Sacarosa

2 Célula anexa

Sumidero de azúcares (célula radicular)

(b)

3 4

(c)

Figura 10.9.

3 A medida que se descarga el azúcar en el sumidero, desciende la presión en los elementos de los tubos cribosos, creando un gradiente de presión. La mayor parte del agua se difunde entonces de nuevo hacia el xilema.

Figura 10.8.

4 El xilema recicla el agua del sumidero de azúcares (raíz) para la fuente de azúcares (hoja).

Flujo de presión en los elementos de los tubos cribosos.

En este ejemplo, la fuente de azúcares es una célula foliar y el sumidero es una célula radical.

que la absorción de agua, y el transporte de la solución se produce a través del xilema. En esta sección, conoceremos la estructura del suelo y cómo éste enlaza las moléculas de soluto con agua.

Empleo de áfidos para estudiar el flujo de la savia floemática.

(a) La presión del tubo criboso empuja la savia floemática hacia el interior del áfido. (b) El áfido introduce su aguijón directamente en un elemento del tubo criboso del floema. (c) Si se retira el insecto, se puede recoger la savia floemática del aguijón para medir el flujo.

El suelo está formado por partículas de rocas superficiales rodeadas de cargas negativas, que promueven los enlaces entre agua y minerales Las rocas, desgastadas por el viento y la lluvia, y fracturadas por la expansión del agua convertida en hielo, se rompen para dar lugar a piedras y gravilla, así terminan por convertirse en tierra o suelo. Las bacterias, algas, hongos, líquenes (asociaciones de algas y hongos), musgos y raíces vegetales segregan ácidos que contribuyen a la ruptura de

10_Capítulo

21/11/05

12:20

Página 257

CAPÍTULO 10

las rocas para convertirse en suelo. Las partículas del suelo se clasifican según el tamaño y pueden ser arena, que comprende las partículas de entre 0,02 mm y 2 mm de diámetro; limo, que engloba las partículas de entre 0,002 mm y 0, 02 mm de diámetro, y arcilla, compuesta por las partículas cuyo diámetro es menor de 0,002 mm. El suelo se divide en capas denominadas horizontes (Figura 10.10). En una vista simplificada, el horizonte superior u horizonte A es el suelo o tierra vegetal, que abarca las partículas de suelo más pequeñas y es el más ade-

Horizonte A (suelo o tierra vegetal): entre 0 y 0,5 m de profundidad Horizonte B (subsuelo): entre 1 m y 2 m por debajo del suelo vegetal

Horizonte C (capa base del suelo): entre 10 m y 50 m por debajo del subsuelo

Mesa de agua Acuífero de aguas subterráneas Lecho rocoso: unos 40 km por debajo de los acuíferos

Figura 10.10.

Horizontes del suelo.

Este perfil simplificado del suelo muestra los horizontes A, B y C. Generalmente, cuanto mayor es la profundidad, más rocoso es el suelo.

◆

El transporte en los vegetales

257

cuado para el crecimiento vegetal. El suelo o tierra vegetal varía en profundidad desde unos pocos milímetros hasta un metro y, por lo general, contiene las partículas de los tres tamaños básicos (arena, limo y arcilla); materia orgánica en descomposición, que se conoce como humus, así como diversos organismos como bacterias, hongos, nemátodos y lombrices de tierra. Un suelo vegetal ideal para un jardín es un suelo mangoso, que contiene aproximadamente la misma cantidad de arena, limo y arcilla. El suelo mangoso es el suelo más indicado para el cultivo, pues las partículas del suelo son lo suficientemente pequeñas como para permitir el crecimiento de las raíces entre ellas y, además, el suelo posee bastante superficie como para enlazar la cantidad suficiente de agua y minerales para sustentar el crecimiento vegetal. Las raíces pueden penetrar en la arena con facilidad, pero las partículas son grandes y la superficie total de suelo arenoso es limitada para sustentar la mayor parte del crecimiento vegetal. El segundo horizonte, u horizonte B, contiene partículas de arena y rocas más grandes y menos desgastadas, así como menor cantidad de materia orgánica. El horizonte más profundo, u horizonte C, es bastante rocoso, pero aporta materias primas para crear el suelo de los horizontes superiores. El agua subterránea, en forma de depósitos subterráneos denominados acuíferos, se localiza en varios lugares del horizonte C, o por debajo de él. Los pozos explotan los acuíferos de aguas subterráneas, rellenados por el agua de la lluvia, que se filtra a través de los horizontes del suelo. Por debajo del horizonte C hay rocas, que constituyen la corteza terrestre o lecho rocoso, que puede extenderse hasta 40 kilómetros.

Un vegetal necesita 17 elementos esenciales, la mayoría de los cuales se obtiene del suelo A mediados del siglo XIX, los científicos se dieron cuenta de que los vegetales dependían del suelo para el suministro de agua y minerales. Esta conclusión se asentaba en algunos experimentos en los que se suministró a los vegetales soluciones de agua y minerales en laboratorio, así como en la invención de los cultivos hidropónicos (del griego hydor, «agua», y ponos, «labor o trabajo») o cultivos sin suelo. En un cultivo hidropónico, los nutrientes minerales que normalmente aporta el suelo se mezclan en una solución líquida, que se utiliza para regar la raíz de la planta. La primera receta hidropónica, que contenía KNO3, Ca(NO3)2, KH2PO4, MgSO4 y FeSO4, sustentó el crecimiento de numerosas clases de vegetales en cultivos líqui-

10_Capítulo

21/11/05

258

12:20

Página 258

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

dos o arenosos. Parecía que ya se había alcanzado un total conocimiento de la nutrición mineral vegetal (véase el cuadro Las plantas y las personas en esta misma página). No obstante, en el siglo XX, las plantas dejaron de crecer adecuadamente con esta receta mineral. ¿Acaso habían cam-

LAS

PLANTA S

Y

biado las leyes de la nutrición vegetal? Según parece, las industrias químicas habían comenzado a fabricar productos químicos de mayor pureza, desechando muchas impurezas que evidentemente eran básicas para el crecimiento vegetal.

L A S

P E R SO NA S

Justus von Liebig, padre de la agricultura moderna principios del siglo XIX, la mayoría de científicos especializados en Agricultura creían en algunas variaciones de la teoría del humus, la cual sostenía que los principales componentes de las plantas consistían en el suelo y el agua que éstos absorbían por la raíz. Después de todo, el ser humano sabe desde hace miles de años que los cultivos crecen mucho mejor en un suelo fertilizado con materia orgánica, como el estiércol, que en un suelo no fertilizado. Sin embargo, la contribución del aire al crecimiento vegetal no había sido del todo reconocida. Con todo, en 1840, el químico alemán Justus von Liebig desmanteló la teoría del humus. Aportó pruebas consistentes de que la mayoría o todo el carbono presente en los vegetales procede del CO2 atmosférico, mientras que los minerales y el agua necesarios provienen del suelo. Desarrolló la Ley del Mínimo, que recoge que el crecimiento vegetal está limitado por el nutriente presente en menor cantidad. Liebig denominó «mínimo» a este factor limitante. Durante casi 150 años, la Ley del Mínimo de Liebig ha sido corroborada por la experimentación y ha sido la base de los estudios del suelo y de la aplicación de fertilizantes. Liebig inventó el primer fertilizante artificial, una combinación de elementos químicos que se sabía que estimulaban el crecimiento vegetal. Desgraciadamente, varios ingredientes formaron una sustancia parecida al hormigón, y su operación de introducción en el mercado fracasó. En 1843, dos científicos británicos, J. B. Lawes y J. H. Gilbert, desarrollaron los primeros fertilizantes artificiales de éxito comercial. En 1862, el científico alemán W. Knop publicó la lista de las cinco sustancias químicas que daban luz verde a los cultivos hidropónicos o sin suelo. La contribución nutricional del suelo a los vegetales se ha definido en términos químicos. A través de su legado y de los estudiantes que formó, Justus von Liebig desempeñó un papel indirecto, pero trascendental, en la mejora de la productividad de la agricultura estadounidense. Cuando en 1860 Abraham Lincoln creó el Departamento de Agricultura, designó a uno de los estudiantes de Liebig como primer científico de dicho Departamento. La aprobación de la «Ley de Excepción al Embargo» (Homestead Act) de 1862 favoreció la expansión de la agricultura estadounidense al otorgar 1,29 km2 de tierra libre para cultivos a todo cabeza de

A

familia o de edad superior a 21 años. La «Ley de Cesión de Tierras para la Universidad», aprobada el mismo año, condujo al establecimiento de facultades de Agricultura en cada Estado. Mientras tanto, Liebig y sus estudiantes fomentaron el establecimiento de estaciones experimentales de Agricultura en Europa y en Estados Unidos.

Justus von Liebig.

10_Capítulo

21/11/05

12:20

Página 259

CAPÍTULO 10

Las plantas contienen 60 elementos químicos o más, pero se cree que sólo 17 de ellos son realmente esenciales. Se clasifican como macronutrientes o micronutrientes (Tabla 10.1). Los macronutrientes se utilizan en grandes cantidades para producir el cuerpo del vegetal y para llevar a cabo los procesos fisiológicos primordiales. El aire aporta oxígeno y carbono, mientras que el resto de macronutrientes proceden del suelo. Los micronutrientes suelen ser cofactores necesarios para las enzimas y, por tanto, la planta los recicla. Las plantas exhiben síntomas característicos de deficiencia cuando no reciben el suministro adecuado de uno o más nutrientes esenciales. Los

◆

El transporte en los vegetales

259

vegetales pueden precisar algunos minerales en concentraciones tan bajas que basta el polvo para aportarles las cantidades adecuadas y, en este caso, sería muy difícil señalar una deficiencia. Los vegetales con una nutrición mineral inadecuada transmiten estas carencias a los animales que los consumen. Los humanos y otros animales necesitan algunos minerales (selenio, cromo y flúor) que suelen encontrarse en las plantas, pero que éstos no precisan. Cuando los suelos de una región carecen de la cantidad suficiente de un micronutriente, las plantas y los animales pueden desarrollar los síntomas de tal deficiencia. La

Tabla 10.1. Nutrientes esenciales para la mayoría de las plantas vasculares

Símbolo químico

Forma disponible para los vegetales

Importancia en las plantas

Elemento Macronutrientes Carbono Oxígeno Hidrógeno Nitrógeno

C O H N

CO2 CO2 H2O NO3–, NH+4

Azufre Fósforo

S P

SO42– H2PO4–, HPO2– 4

Potasio

K

K+

Calcio

Ca

Ca2+

Magnesio

Mg

Mg2+

Elemento principal de compuestos orgánicos Elemento principal de compuestos orgánicos Elemento principal de compuestos orgánicos Elemento de nucleótidos, ácidos nucleicos, aminoácidos, proteínas, coenzimas y hormonas Elemento de proteínas, coenzimas y aminoácidos Elemento del ATP y ADP, algunas coenzimas, ácidos nucleicos y fosfolípidos Cofactor en la ósmosis y equilibrio iónico, acción de los estomas y síntesis proteínica Esencial para la estabilidad de las paredes celulares, mantenimiento de la estructura y permeabilidad de las membranas; actúa como cofactor enzimático y regula algunas respuestas a estímulos Activador enzimático y componente de la clorofila

Micronutrientes Cloro

Cl

Cl–

Hierro

Fe

Fe3+, Fe2+

Boro

B

H2BO3–

Manganeso

Mn

Mn2+

Zinc Cobre

Zn Cu

Zn2+ Cu2+, Cu+

Molibdeno Níquel

Mo Ni

MoO2– 4 Ni2+

Esencial en la ruptura del agua de la fotosíntesis, que produce oxígeno; actúa en la ósmosis y el equilibrio iónico Activador de algunas enzimas, forma parte de los citocromos y la nitrogenasa, necesario para la síntesis de clorofila Necesario para la síntesis de clorofila, puede que participe en la síntesis de ácidos nucleicos, transporte de carbohidratos e integridad de la membrana Activador de algunas enzimas, activo en la formación de aminoácidos, necesario en la ruptura del agua de la fotosíntesis, implicado en la integridad de las membranas de los cloroplastos Activador de algunas enzimas, implicado en la formación de la clorofila Activador de algunas enzimas, implicado en las reacciones de oxidación/reducción, componente de las enzimas biosintéticas de la lignina Participa en la fijación de nitrógeno y en la reducción de nitratos Cofactor para una enzima que actúa en el metabolismo del nitrógeno

10_Capítulo

21/11/05

260

12:20

Página 260

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

Organización de las Naciones Unidas estima que la malnutrición de micronutrientes afecta a más del 40% de la población mundial. Por ejemplo, el suelo de algunas regiones de China suele carecer de suficiente selenio. Las anomalías cardíacas y óseas son síntomas propios de esta deficiencia en el ser humano. Un estudio del suelo reveló que en las regiones de menor nivel de selenio, el número de personas que fallecían de cáncer era tres veces superior al de las regiones con un nivel alto de selenio. Algunos estudios en personas a las que se administraron suplementos de selenio demostraron una disminución significativa en la incidencia de numerosos tipos de cáncer. La agricultura retira los nutrientes del suelo y reduce su fertilidad. El agotamiento de nutrientes es un problema típico de los lugares donde se ha practicado la agricultura durante miles de años. Un estudio del suelo puede determinar su fertilidad con respecto a determinados nutrientes. La aplicación del fertilizante adecuado puede remediar problemas específicos.

Espacio de aire Partícula del suelo Pelo radicular

Solución del suelo (H2O, O2 y minerales disueltos) (a) Partículas del suelo y solución del suelo. Los pelos radiculares no pueden absorber los minerales directamente de las partículas del suelo. En cambio, absorben la solución del suelo, que contiene agua, oxígeno disuelto y minerales disueltos, que aparecen tanto como iones cargados positivamente (cationes) o iones cargados negativamente (aniones). – Partícula del suelo

Las partículas del suelo enlazan agua e iones minerales Cerca de un 93% de la corteza terrestre se compone de silicatos (SiO4 4 ). Por tanto, las partículas del suelo presentan carga negativa en sus capas externas. Las moléculas de agua, al ser polares, poseen un extremo de carga positiva y otro de carga negativa, de modo que se forman anillos de agua alrededor de cada partícula del suelo. En el agua, algunos minerales se disuelven como cationes (iones cargados positivamente), y otros como aniones (iones cargados negativamente). El primer anillo de agua que rodea una partícula del suelo contiene cationes, el siguiente contiene aniones, y así sucesivamente. Algunos cationes se disuelven en el agua, mientras que otros se enlazan directamente con partículas del suelo. La solución del suelo —agua, iones minerales y CO2 disuelto— comprende cerca del 50% del volumen del suelo y es la fuente de dichos nutrientes para los vegetales (Figura 10.11a). El suelo enlaza las moléculas de agua con una fuerza denominada potencial matricial, que es un número negativo. Para comprender mejor estos conceptos, pensemos en el suelo como una matriz de partículas de diversos tamaños, que el agua y el aire separan. Para que un pelo radicular absorba agua, su potencial hídrico debe ser más negativo que el potencial matricial del suelo. Los iones se enlazan con las partículas del suelo siguiendo un orden de preferencia, según la fuerza relativa de sus cargas positivas o negativas. Por ejemplo, los catio-

–

– –

–

H+ + HCO3– Mg2+ H2O + CO2

Ca2+

H2CO3

H+ Pelo radicular

Cl–

H+

–

–

–

K+

– –

Espacio de aire

K+ –

– Cu2+ H2PO4

K+

SO42– Mg2+

K+ –

H+ –

–

H

Ca2+ – –

K+

K+

+

–

K+ –

–

– –

(b) Intercambio de cationes. Puesto que los cationes poseen carga positiva, se enlazan fuertemente con las partículas del suelo, de carga negativa, aunque pueden ser desplazados por los iones H+ en un proceso conocido como intercambio de cationes. Cuando son desplazados, los cationes pasan a estar disponibles para la absorción. El diagrama muestra un ión magnesio (mg2+) desplazado por dos iones H+. Los pelos radiculares proveen los iones H+ de forma directa al segregarlos, y de forma indirecta al producir CO2, originando una reacción química que genera H+. Los iones de carga negativa no suelen enlazarse tan fuertemente con las partículas del suelo, luego son absorbidos más fácilmente, pero también son retirados del suelo con mayor facilidad.

Figura 10.11.

Absorción de minerales a través de los pelos radicales.

nes se enlazan con las partículas del suelo de acuerdo con tres reglas: primero se enlazan los cationes de mayor carga positiva, los iones más pequeños se enlazan antes que los más grandes y los iones de mayor concentración se en-

10_Capítulo

21/11/05

12:20

Página 261

CAPÍTULO 10

lazan antes que los de menor concentración. Por ejemplo, a tenor de las primeras dos reglas, Ca2
se enlaza antes que Na
, pero, conforme a la tercera regla, Na
se enlaza antes que Ca2
si existe una mayor concentración del primero que del segundo. Estas reglas cobran mayor importancia para los vegetales en presencia de iones tóxicos en la solución del suelo. Por ejemplo, en las regiones de suelos salados, la concentración de iones sodio (Na
) es elevada, y Na
desplaza los iones que el vegetal necesita de las partículas del suelo. Los iones sodio permanecen en el suelo, mientras que los iones útiles terminan en las aguas subterráneas, donde son de muy difícil acceso para los vegetales. Por este motivo, un suelo salado es un suelo pobre en nutrientes. Las grandes regiones del suroeste de Estados Unidos, que hace millones de años fueron un océano, padecen este problema. El orden en que los iones se enlazan con las partículas del suelo también es un factor relevante en los suelos ácidos, típicos de regiones con abundantes precipitaciones. En la lluvia, el CO2 se disuelve en el agua para producir iones H
de acuerdo con la siguiente reacción: CO2
H2O → H2CO3 (ácido carbónico) → H

HCO (bicarbo3 nato). El hidrógeno se enlaza fuertemente con las partículas del suelo, desplazando otros cationes, incluidos aquellos que son importantes para las plantas. Asimismo, un suelo ácido aporta iones aluminio previamente insolubles y altamente tóxicos a la solución del suelo. Por consiguiente, un suelo ácido es pobre en nutrientes y suele contener aluminio tóxico. El desplazamiento de los cationes minerales por parte de los iones H
desempeña una función dentro de la normal absorción mineral de la raíz (Figura 10.11b). Tanto las moléculas de agua, como los iones minerales se enlazan directamente con las partículas del suelo. Puesto que en la primera capa de enlace, inmediatamente próxima a las partículas del suelo, no hay aniones, éstos son más fáciles de retirar del suelo y las plantas los «pierden», pues acaban en las aguas subterráneas según un proceso que se conoce como lixiviación. A medida que la raíz penetra en el suelo, libera el CO2 producido en la respiración, que se combina con agua para convertirse en bicarbonato e iones H
. La raíz también puede segregar iones H
de manera directa. El CO2 se disuelve para producir iones H
, que reemplazan los cationes minerales enlazados al suelo en un proceso denominado intercambio de cationes. De este modo, los minerales se liberan del suelo y pasan a estar disponibles para la solución del suelo, que la raíz absorbe.

◆

El transporte en los vegetales

261

Las bacterias del suelo hacen que el nitrógeno esté a disposición del vegetal En el Capítulo 4, aprendimos qué eran las micorrizas, asociaciones mutualistas de raíces de plantas y hongos del suelo que incrementan la absorción de minerales del mismo por parte del vegetal. Algunas plantas también establecen asociaciones con bacterias. Las plantas necesitan nitrógeno, pero no pueden absorber el gas nitrógeno (N2) del aire. Han de absorberlo de los compuestos nitrogenados del suelo, fundamentalmente en forma de nitrato ), pero también en forma de amonio (NH
). Algu(NO 3 4 nas bacterias del suelo llevan a cabo la fijación del nitrógeno, la conversión del gas nitrógeno en nitrato o amonio (Figura 10.12). En algunos suelos, las bacterias nitrifican), y luego en nites convierten el amonio en nitrito (NO 2 trato. Además de las bacterias fijadoras de nitrógeno, existen bacterias amonificantes que liberan amonio al romper la materia orgánica denominada humus, y bacterias desnitrificantes que convierten el nitrato de nuevo en N2. Las bacterias fijadoras de nitrógeno convierten primero el gas nitrógeno en amoníaco (NH3), mediante la acción de la enzima nitrogenasa. A continuación, el amoníaco toma un ión H
de la solución del suelo para convertirse en amonio (NH
4 ). Algunas bacterias fijadoras de nitrógeno viven libres, pero forman asociaciones mutualistas con determinadas plantas, particularmente con leguminosas como la alfalfa, los guisantes, las judías y los tréboles. Algunas especies no leguminosas, como el aliso, y un género de helechos acuáticos (Azolla) establecen asociaciones similares. Las plantas que establecen asociaciones con bacterias fijadoras de nitrógeno toman menor cantidad de nitrógeno del suelo que otras plantas y, más bien, le aportan nitrógeno. En consecuencia, los agricultores suelen rotar cultivos de legumbres con otros cultivos para enriquecer el suelo. En un solo período vegetativo, un cultivo de legumbres puede aportar 300 kg de fertilizante por hectárea. Las bacterias asociadas con una planta leguminosa generan entre 1 gramo y 3 gramos de nitrógeno fijado. A continuación, la tierra del cultivo vuelve a ararse para liberar el nitrógeno adicional de la descomposición natural. Los helechos Azolla que flotan en los arrozales aportan nitrógeno al arroz, después de morir como resultado de la sombra de las plantas de arroz y de la ausencia de agua en el arrozal. La fijación de nitrógeno por parte de las bacterias es un proceso complejo. En las leguminosas, las bacterias del género Rhizobium se introducen en la raíz a través de un pelo radical modificado que se denomina canal de infección. En respuesta al canal de infección, la planta produce un flavo-

10_Capítulo

21/11/05

262

12:20

Página 262

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

Atmósfera

N2 N2

N2 N2

N2 N2

N2

N2

Nitrato y compuestos nitrogenados por el xilema hasta el sistema del vástago

Bacterias fijadoras de nitrógeno

Bacterias desnitrificantes

Bacterias amonificantes

Bacterias nitrificantes

Suelo NH4+

NO3– Nitrato

NH4+

Materia orgánica (humus)

Amonio

Raíz

Figura 10.12.

Las bacterias del suelo regulan el nivel de nitrógeno disponible en el suelo para las plantas.

Las plantas pueden absorber nitrato o amonio del suelo. La mayor parte del nitrógeno del suelo aparece en forma de nitrato, debido a la presencia de bacterias nitrificantes, que convierten en nitrato el amonio de la materia orgánica en descomposición y de las bacterias fijadoras de nitrógeno.

noide (véase el Capítulo 7) que activa una serie de señales químicas, dando como resultado la formación de nódulos radicales, que serán el hogar de las bacterias (Figura 10.13). Una vez dentro de los nódulos, las bacterias adoptan una forma alargada y se conocen como bacteroides, que habitan en las vesículas del interior de las células radicales. El nitrógeno también puede fijarse industrialmente, pero el proceso requiere energía intensiva y es muy costoso. En cualquier caso, los agricultores suelen utilizar fertilizantes comerciales de nitrógeno, ya que se elimina la necesidad de la rotación de cultivos con las legumbres, y son de fácil aplicación junto con otros fertilizantes. En los países en desarrollo, donde los fertilizantes artificiales alcanzan precios prohibitivos, los agricultores cultivan en ocasiones legumbres lindando con otros cultivos no fijadores de nitrógeno. Una vez que se recolecta dicho cultivo, el cultivo de legumbres se ara para proveer más nitrógeno durante el proceso de descomposición. En el caso de leguminosas como los guisantes y las judías, puede recogerse una cosecha antes de retornar el resto de la planta al suelo. Como los fertilizantes comerciales de nitrógeno son caros, los científicos llevan tiempo soñando con la idea de

formar asociaciones de bacterias fijadoras de nitrógeno con todas las plantas de cultivo. Aunque una enzima primaria, la nitrogenasa, es la que lleva a cabo la fijación, el proceso de colonización bacteriana conlleva la actuación de varios genes y un complejo sistema de señales entre la planta-huésped y las bacterias. Cada especie de leguminosas se asocia con una especie bacteriana específica, y las moléculas señalizadoras varían con cada asociación. La transferencia del proceso de fijación de nitrógeno a un nuevo vegetal implicaría introducir un número de genes, además de un mejor conocimiento general del funcionamiento de la asociación.

Repaso de la sección 1. Describe los tres horizontes del suelo. 2. Describe la interacción que se produce entre suelo, agua e iones minerales. 3. ¿Qué diferencia existe entre macronutrientes y micronutrientes? 4. ¿Cómo aportan las bacterias el nitrógeno a las plantas?

10_Capítulo

21/11/05

12:20

Página 263

CAPÍTULO 10

Bacteroides

Canal de infección Pelo radicular infectado

Células divisibles en el córtex radicular

◆

El transporte en los vegetales

263

Bacteroides Bacteroides

Bacterias Rhizobium

Células divisibles en el periciclo

Xilema

Tejido vascular del nódulo

Floema

1 Las bacterias Rhizobium se introducen en el pelo radicular tras estimular la formación de un canal de infección.

Figura 10.13.

2 Las bacterias penetran en el córtex radicular, adoptando la forma de bacteroides. Las células del córtex y del periciclo comienzan a dividirse cerca de los bacteroides.

3 Los bacteroides y las células divisibles del córtex y del periciclo forman un nódulo radical.

4 Se forma el tejido vascular del nódulo, transportando nutrientes atrás y adelante entre el nódulo en crecimiento y el xilema y floema.

Formación de nódulos radicales.

RESUMEN Movimiento molecular a través de las membranas La difusión es el movimiento molecular espontáneo a favor del gradiente de concentración (pág. 243) Las moléculas de soluto se mueven espontáneamente desde una región de mayor a una de menor concentración de solutos. La difusión facilitada y el transporte activo utilizan proteínas que cooperan en el movimiento a través de las membranas (págs. 243-244) En la difusión facilitada, las proteínas enlazan solutos y los transportan a través de las membranas desde una región de mayor a una de menor concentración de solutos. En el transporte activo, los solutos se mueven en contra del gradiente de concentración con la ayuda de la energía suministrada por la célula. La exocitosis y la endocitosis sirven para transportar moléculas de gran tamaño (págs. 244-245) Las moléculas abandonan la célula mediante exocitosis y penetran en ella mediante endocitosis. En la exocitosis, las molécu-

las se engloban en vesículas rodeadas de membranas, que se fusionan con la membrana plasmática. En la endocitosis, la membrana plasmática forma bolsas alrededor de las moléculas, que se convierten en vesículas. La ósmosis es el movimiento de agua a través de una membrana selectivamente permeable (pág. 245) En la ósmosis, el agua se mueve desde una región de menor concentración de solutos (mayor concentración de agua) a una de mayor concentración de solutos (menor concentración de agua). La ósmosis puede tener lugar en presencia o en ausencia de proteínas transportadoras, denominadas acuaporinas. En el crecimiento celular, el potencial osmótico del interior de la célula interactúa con la presión generada por la pared celular (págs. 245-248) Las células crecen cuando su potencial hídrico es negativo. El potencial hídrico es la suma del potencial osmótico y el potencial de presión. El potencial osmótico lo genera la concentración de solutos en la célula. El potencial de presión lo genera la resistencia de la pared celular a la expansión del protoplasto.

10_Capítulo

21/11/05

264

12:20

Página 264

UNIDAD DOS

◆

Funciones de las plantas

Movimiento y absorción de agua y solutos en las plantas La evaporación del agua en las hojas hace subir el agua desde la raíz a través del xilema (págs. 248-252) La transpiración a través de los estomas crea tensión en las columnas de agua del xilema. La cohesión entre las moléculas de agua y su adhesión a las paredes celulares ayudan a sujetar el agua en las traqueidas y elementos de los vasos. La apertura y el cierre de los estomas, en respuesta a la luz, CO2 y ácido abscísico, regulan la transpiración. Los estomas controlan el intercambio de gases y la pérdida de agua de las plantas (págs. 252-254) Un 90% de la pérdida de agua de una planta se produce a través de los estomas, que se abren en respuesta a una menor concentración de CO2 o a la luz azul, y se cierran debido a un incremento del ácido abscísico. Los azúcares y otras moléculas orgánicas se mueven desde las hojas hasta la raíz a través del floema (págs. 254-255) Conforme a la hipótesis presión-flujo, la presión osmótica originada por la producción de azúcares en la fotosíntesis empuja una solución de azúcar desde la fuente en las hojas hasta los sumideros en el tallo, raíz y frutos.

Suelo y minerales, nutrición de las plantas El suelo está formado por partículas de rocas superficiales rodeadas de cargas negativas, que promueven los enlaces entre agua y minerales (págs. 256-257) El suelo se divide en capas denominadas horizontes y consiste en una mezcla de arena, limo y arcilla, mezclados con materia orgánica. Una planta necesita 17 elementos esenciales, la mayoría de los cuales se obtiene del suelo (págs. 257-260) Las plantas necesitan nueve macronutrientes y, al menos, ocho micronutrientes. Las deficiencias minerales en los suelos se transmiten a los organismos fotosintéticos mediante la cadena alimenticia. Las partículas del suelo enlazan agua e iones minerales (págs. 260-261) La solución del suelo consiste en agua y minerales disueltos, enlazados con partículas del suelo de carga negativa mediante un potencial matricial. Los cationes se enlazan con las partículas del suelo, dependiendo de las cargas relativas y de las concentraciones. Las bacterias del suelo hacen que el nitrógeno esté a disposición de la planta (págs. 261-263) Las plantas absorben el ión nitrógeno del nitrato o del amonio del suelo. Todo el nitrógeno del suelo se obtiene a partir de las bacterias fijadoras de nitrógeno, que convierten el amonio (NH4
) en nitrato (NO3).

Cuestiones de repaso 1. ¿En qué se diferencia el transporte simplástico del apoplástico? 2. Explica la diferencia entre difusión, difusión facilitada y transporte activo. 3. Menciona algunos de los procesos celulares de las plantas que recurren a la exocitosis. 4. Si una membrana selectivamente permeable separa una solución y agua dulce, ¿en qué dirección fluirá el agua? ¿Por qué? 5. ¿Por qué una célula vegetal es como un globo de agua en el interior de una caja de cartón? 6. ¿Cómo afecta el potencial hídrico al flujo de agua en una planta? 7. Describe la plasmólisis y cómo se produce. 8. ¿Qué relación existe entre la transpiración y el transporte? 9. ¿Por qué las propiedades del agua facilitan el transporte en las plantas? 10. ¿Por qué se coloca una bomba en la base de un pozo de agua? 11. Explica cómo funcionan los estomas y por qué son importantes. 12. ¿Por qué las precipitaciones ocasionan suelos ácidos? 13. Cita tres ejemplos de macronutrientes y tres ejemplos de micronutrientes. Explica la importancia de cada uno de ellos. 14. Describe la conversión del gas nitrógeno en nitrato por parte de las bacterias. 15. ¿Por qué la agricultura da lugar a suelos pobres en nutrientes?

Cuestiones para reflexionar y debatir 1. Durante los períodos de sequía, los árboles que bordean las acequias de irrigación tienen que ser en ocasiones talados para ahorrar agua. ¿Te parece una idea lógica? Razona tu respuesta. 2. A medida que la humedad relativa alcanza el 100%, la transpiración disminuye. ¿Da lugar esto a plantas pobres en nutrientes? Justifica tu respuesta. 3. Describe algunas formas creativas para mantener la fertilidad del suelo en las tierras de cultivo. 4. Algunos científicos opinan que la presencia de paredes celulares en las plantas indica que éstas evolucionaron en agua dulce en lugar de a partir de algas oceánicas. ¿Por qué las paredes celulares son útiles para las células vegetales rodeadas de agua dulce? 5. ¿Por qué las células que llevan a cabo la fotosíntesis absorben agua? 6. Realiza un diagrama de la ruta que toma una sola molécula de agua que, de manera fortuita, es transportada desde el suelo hasta una hoja de un árbol de gran altura y luego regresa desde la hoja a la raíz del mismo vegetal. En tu diagrama, incluye las células y tejidos clave a través de los que se produce este movimiento.

10_Capítulo

21/11/05

12:20

Página 265

CAPÍTULO 10

Conexión evolutiva Como hemos leído en este capítulo, los agrónomos esperan poder transferir algún día la capacidad de fijar el nitrógeno atmosférico de ciertos microorganismos a las plantas de cultivo. ¿Por qué crees que esta capacidad nunca ha evolucionado de manera natural en las plantas?

Para saber más Brady, Nyle y Ray Weil. The Nature and Properties of Soils. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2001. Este libro estudia las propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo.

◆

El transporte en los vegetales

265

Gleick, Peter H. The World’s Water 2002-2003: The Biennial Report on Freshwater Resources. Washington D. C.: Island Press, 2002. Una interesante visión general de todos los aspectos de la disponibilidad, conflictos derivados y saneamiento del agua. Postel, Sandra. Pillar of Sand: Can the Irrigation Miracle Last? New York: W. W. Norton, 2001. La autora discute el papel de la irrigación en la historia humana, el estatus actual de los recursos insuficientes y cómo podría mejorarse el futuro de la agricultura por irrigación. Taiz, Lincoln, y E. Zeiger. Plant Physiology. Sunderland, MA: Sinauer Associates, 2002. Este excelente texto explora todas las áreas de la Fisiología Vegetal, incluidas la nutrición mineral y las relaciones hídricas de las células, así como de los vegetales en su totalidad.

Portadillas

25/11/05

10:50

Página I

11_Capítulo

21/11/05

12:41

Página 267

11 Respuestas de las plantas a las hormonas y a los estímulos medioambientales

Una celidonia menor (Ranunculus ficaria) sigue la trayectoria del Sol.

Efectos de las hormonas Las auxinas desempeñan un papel esencial en el crecimiento celular y en la formación de tejido nuevo Las citoquininas controlan la división y la diferenciación celulares, así como el retraso del envejecimiento Las giberelinas interactúan con las auxinas para regular el crecimiento celular y estimular la germinación de las semillas El ácido abscísico provoca la dormancia de las semillas y regula las respuestas del vegetal a las sequías El etileno permite a la planta responder a la tensión mecánica, además de controlar la maduración de los frutos y la abscisión de las hojas

Los brasinoesteroides son un grupo recién descubierto de hormonas vegetales, que actúan como la auxina Existen otros compuestos que también pueden actuar como fitohormonas

Respuestas de las plantas a la luz La absorción de luz azul determina el crecimiento del tallo hacia la luz y la apertura de los estomas La absorción de luz roja y de luz roja lejana indican cuándo tendrán lugar la germinación de las semillas, el crecimiento del tallo y de la raíz, y la floración La fotoperiodicidad regula la floración y otras respuestas estacionales

Las plantas responden a ciclos diurnos y nocturnos repetidos

Respuestas de las plantas a otros estímulos medioambientales La raíz y el vástago responden a la gravedad Las plantas responden a estímulos mecánicos, como el tacto o el viento Las plantas se preparan para afrontar condiciones medioambientales que les impiden llevar